Overvåking av vitale signaler

Kroppens vitale signaler, som hjertefrekvens, har tradisjonelt blitt målt i et klinisk miljø, noe som krever dyktig helsepersonell for å feste elektroder og betjene utstyret. Selv om det er nødvendig i mange situasjoner, er det også fordeler med å måle en persons vitale signaler utenfor operasjonssalen eller sykehuset. Ekstern helseovervåking, vurdering av idrettsutøveres ytelse og personlig våkenhet er alle situasjoner som kan dra nytte av bruken av håndholdt, kroppsnær måling av vitale signaler.

Innovativ løsning

Denne artikkelen forklarer de ulike metodene for hjertefrekvensdeteksjon, undersøker utfordringene med utformingen av en overvåkingsenhet for vitale signaler, og demonstrerer Analog Devices/Maxim Integrated MAX86178 analog front-end (AFE) IC for vitale signaler. En innovativ og svært effektiv løsning, utstyrt med en rekke overvåkingsmetoder for vitale signaler, utformet for å møte de nyeste kliniske applikasjoner og forbrukerapplikasjoner.

Målemetoder for vitale signaler

Det er tre metoder for elektronisk å detektere en persons hjertefrekvens: fotopletysmografi (PPG), elektrokardiogram (EKG) og bioimpedans (BioZ). Hver tilnærming har sine fordeler og valget avhenger vanligvis av bruksområdet.

Fotopletysmografi (PPG):

Dette er en ikke-invasiv optisk måling av hjertets volum. Metoden innebærer å sende et LED-lys med en spesifikk bølgelengde inn i hudens subkutane vev. En fotodiode samler lysrefleksjoner og omdanner dem til et elektrisk signal for analyse. Når hjertet slår, skaper denne hjertefrekvensen en puls eller trykkbølge av blod gjennom venene, noe som resulterer i utvidelse og sammentrekning av blodårene. Disse bevegelsene endrer mengden lys som reflekteres, og dermed også utgangen fra fotodioden. Ved å bruke forskjellige LEDer med ulike bølgelengder kan man isolere lyset som absorberes av arterielt blod (lyserødt og rikt på oksygen), fra venøst blod (mørkerødt og fattig på oksygen) for å bestemme mengden oksygen i personens blod. Fordi PPG-detekteringsmetoden bruker en enkel optisk bane og ingen elektrisk forbindelse til brukeren, er den et populært valg for smartklokker og bærbare helseovervåkere.

Elektrokardiogram (EKG):

EKG er en elektrisk måling av hjertemuskelvev, og er en av flere biopotensialdeteksjonsmetoder som brukes på menneskekroppen. Den har en karakteristisk bølgeformsignatur (Figur 1), hvis individuelle artefakter kalles QRS-komplekset. Dette gir klinikere og kardiologer spesifikke opplysninger om pasientens generelle helse og hjertefunksjon. Hver del av EKG-signalet er knyttet til sammentrekningen av individuelle grupper av hjertemuskler som må fungere i riktig rekkefølge for å sikre blodstrømmen. EKG krever elektroder som festes til kroppen, for å fungere. Selv om det er ikke-invasivt, medfører det behovet for å feste elektroder, noe som gjør denne metoden mindre praktisk enn PPG.

Bioimpedans (BioZ):

Bioimpedans er en annen form for elektrisk måling som fanger hjertefrekvens-signaler ved hjelp av elektroder festet til kroppen. Denne tilnærmingen ligner på biopotensial EKG, men måler endringer i kroppens vevsimpedans til elektriske signaler.

Kombinasjonen av de tre deteksjonsmetodene gir en svært pålitelig sensor for vitale signaler som muliggjør langt mer enn bare måling av hjertefrekvens.

Designutfordringer

Det er utfordringer knyttet til å lage kroppsnære og portable enheter, fra eksponering for omgivelser til å opprettholde skjermens synlighet i sterkt sollys. Nøyaktig måling av vitale signaler mens personen er i bevegelse introduserer muligheten for støy. I tillegg krever det å drive enheten med et oppladbart batteri nøye strømstyringsteknikker og en tankegang om lavt strømforbruk for å sikre at produktet møter kundens forventninger. Selv om en elektrodebasert tilnærming gir et mer nøyaktig bilde av en persons vitale signaler, gjør bruken av et stramt brystbånd for elektrodene det ubehagelig å ha dem på over lengre tid, mens feste med limputer tar lengre tid å plassere riktig.

Sikkerhetsforskrifter

Som med enhver medisinsk enhet som er direkte festet til menneskekroppen, finnes det strenge sikkerhetsregler for lekkasjestrømmer og potensiell eksponering for livstruende spenninger. Å bruke LEDer og fotodioder for å implementere PPG-detektering er mer praktisk for langtidsovervåking. Imidlertid innebærer det mer kretskompleksitet, kansellering av omgivelseslys og optiske isolasjonsteknikker for å unngå direkte lekkasje av lys fra LEDen til fotodioden.

En IC for vitale signaler

Analog Devices/Maxim Integrated MAX86178 er en IC for vitale signaler med ekstremt lavt strømforbruk som inkluderer en synkronisert PPG, EKG og BioZ AFE for et bredt spekter av bærbare helseovervåkere og klinisk diagnostisk utstyr.

Den har en høyt integrert og omfattende analog front-end. PPG-signalkjeden støtter opptil seks LEDer drevet fra to høystrøms 8-bits drivere. Mottaksbanen består av fire fotodioder og to lavstøykanaler, hver med en 20-bit analog-til-digital-omformer (ADC). Kanselleringskretser for omgivelseslys fungerer på begge mottakskanaler.

Høyt integrert

Den lavtstøyende EKG-signalkjeden med høy inngangsimpedans inkluderer EMI-filtrering og er utstyrt med en kalibreringsspenningskrets for å utføre intern selvtesting. Ytterligere funksjoner inkluderer programmerbar forsterkning, et anti-aliasing lavpassfilter og en høyoppløselig ADC. EKG-funksjonen oppfyller den internasjonalt anerkjente standarden for ambulatorisk EKG-overvåking, IEC 60601-2-47. BioZ-kanalen har også høy inngangsimpedans, kalibreringsfunksjoner, en programmerbar forsterker og filtrering.

MAX86178 er tilgjengelig i en 49-bump wafer-level package (WLP) med pakkedimensjoner på 2,77 mm × 2,57 mm og kan fungere fra -40 °C til +85 °C.

Figur 2 illustrerer arkitekturen til en selvstendig, batteridrevet overvåkingsenhet for vitale signaler utformet i et kabinett. Overvåkeren inneholder MAX86178, bruker alle de tre sensorkanalene og tilbyr Bluetooth trådløs tilkobling. MAX86178 gjør det mulig å samle inn data om hjertehelse, som EKG-bølgesignaler, blodstrøm ved hjelp av optisk PPG og respirasjonsfrekvens via BioZ-målinger.

Utviklingsressurser

Analog Devices tilbyr en referansedesignplattform for å hjelpe et integrert ingeniørteam med prototyping av en overvåker av vitale signaler.

MAXREFDES106-referansedesignet med brystplate (Figur 3) er en omfattende utviklingsplattform basert på MAX86178. Den inkluderer en MAX32674, et algoritmesenter med innvevde algoritmer spesifikt designet for å arbeide med de optiske sensorene som brukes i medisinske bærbare enheter, en MAX20356 strømstyrings-IC og et ADXL367 lavstrøms, lavtstøyende 3-akset akselerometer. En MAX32666 vertsmikrokontroller med Bluetooth 5-tilkobling fullfører maskinvarefunksjonene.

MAXREFDES106 gjør det mulig å måle blodoksygenasjon (SpO2), hjertefrekvens (HR), respirasjonsfrekvens (RR), impedans-kardiografi (ICG), kroppens impedansanalyse (BIA) og hud-/omgivelsestemperaturer for en brystplate. Figur 4 illustrerer eksempelgrafikk hentet fra plattformen og den medfølgende programvaren.

Hurtig prototyping

Overvåking av vitale signaler gir helsepersonell nøyaktig innsikt i vår generelle helse. Prototyping av et sensorgrensesnitt som kan arbeide med optiske sensorer og elektroder, krever betydelig kunnskap og ferdigheter. Dermed forenkler tilgjengeligheten til en høyt integrert analog front-end IC oppgaven betydelig. I denne artikkelen har vi introdusert de forskjellige metodene for å detektere våre vitale signaler og vist hvordan MAX86178 analog front-end IC og den tilknyttede evalueringsplattformen kan forenkle og akselerere utviklingen av en bærbar overvåkingsenhet betydelig.