Vitale tegn-teknologi: Tilstandsbasert overvåking av menneskekroppen

Opprinnelig skjedde overvåking av vitale tegn på sykehus og klinikker under strengt medisinsk tilsyn. Fremskritt innen mikroelektronikk har ført til betydelige kostnadsreduksjoner, noe som gjør disse teknologiene mer tilgjengelige og vanlige i områder som telemedisin, sport, trening og velvære. Andre områder er sikkerhet på arbeidsplassen, samt bilmarkedet som blir stadig mer fokusert på autonom kjøring. Til tross for denne utvidelsen og gitt den helserelaterte naturen til disse applikasjonene, er kvalitetsstandardene fortsatt høye.

Livsviktige tegn
Overvåking av livsviktige (vitale) tegn innebærer å måle en rekke fysio-
logiske parametere som kan gi en indikasjon på et individs helse. Hjertefrekvensen er en av de vanligste parametrene, og den kan detekteres via et elektrokardiogram som måler hjertefrekvensen og fremfor alt variasjoner i denne. Endringer i hjertefrekvensen er som oftest basert på aktivitet. Under søvn eller når du hviler, er rytmen tregere, men øker etter fysisk aktivitet, en følelsesmessig respons, stress eller angst.

En hjertefrekvens som faller utenfor det normale området kan indikere en lidelse som bradykardi (når hjertefrekvensen er for lav) eller takykardi (når den er for høy). Pust er et annet viktig vitalt tegn. Oksygenmetningen i blodet kan måles ved hjelp av en teknikk som kalles fotopletysmografi (SpO2). Dårlig oksygenmetning kan være knyttet til utbrudd av sykdommer eller lidelser som påvirker luftveiene. Andre målinger av vitale tegn som kan gi indikasjoner på en persons fysiske tilstand er blodtrykk, kroppstemperatur og hudledningsrespons. Hudledningsrespons, også kjent som elektrodermal respons, er nært knyttet til nervesystemet, som igjen påvirker reguleringen av emosjonell oppførsel. Måling av hudledningsevne gir indikasjoner på pasientens stress, tretthet, mentale tilstand og følelsesmessige respons. I tillegg gir måling av kroppssammensetning, prosentandeler av mager masse og fettmasse, og graden av hydrering og ernæring klare indikasjoner på en persons kliniske tilstand. Endelig kan måling av bevegelse og kroppsholdning gi nyttig informasjon om personens aktivitet.

Teknologier for måling av vitale tegn
For å overvåke vitale tegn som hjertefrekvens, puste, blodtrykk og temperatur, hudledningsevne og kroppssammensetning, er det nødvendig med forskjellige sensorer, og løsningene må være kompakte, energieffektive og pålitelige. Overvåkning av vitale tegn inkluderer:

• Optiske målinger
• Biopotensielle målinger
• Impedansmålinger
• Målinger ved bruk av MEMS-sensorer

Optiske målinger
Optiske målinger går lenger enn standard halvlederteknologi. For å kunne ta denne typen målinger er det nødvendig med en verktøykasse for optisk måling. Figur 1 viser en typisk signalkjede for optiske målinger. Lyskilder (generelt LED) er nødvendig for å generere et lyssignal, som kan bestå av forskjellige bølgelengder. Kombinasjonen av flere bølgelengder gir større målepresisjon. En serie silisium- eller germanium-sensorer (fotodioder) er også nødvendig for å konvertere det optiske signalet til et elektrisk signal. Fotodioder må respondere på lyskildens bølgelengde med nok følsomhet og linearitet. Fotostrømmen må deretter forsterkes og konverteres, derav behovet for en høyeffektiv og energieffektiv flerkanals analog frontend som kan kontrollere lysdiodene, forsterke og filtrere det analoge signalet og utføre analog-til-digital konvertering med den nødvendige oppløsningen og nøyaktighet.

Pakking av det optiske systemet spiller også en viktig rolle. Pakken er ikke bare en kapsling, men også et system med ett eller flere optiske vinduer som kan filtrere utgående og innkommende lys, uten overdreven demping eller refleksjoner som kan kompromittere signalets integritet. Den optiske systempakken må også håndtere flere enheter, inkludert lysdioder, fotodioder og analoge og digitale prosesseringskretser for å skape et kompakt flerbrikkesystem. Til slutt gjør «coating» teknologi det mulig å opprette optiske filtre for å velge den delen av spekteret som kreves for applikasjonen og eliminere uønskede signaler. Applikasjonen må fungere selv når den utsettes for sollys. Hvis det ikke er noe optisk filter, kan signalets styrke mette den analoge kjeden og dermed forhindre at elektronikken fungerer som den skal.

Analog Devices tilbyr en familie av fotodioder og forskjellig analog signaltilpasning som behandler signalet som mottas fra fotodiodene og kontrollerer LED-lampene. Et fullt optisk system er også tilgjengelig, som inkluderer lysdioder, fotodioder og signaltilpasning i en enkel enhet. Et eksempel på disse er ADPD1081.

Målinger av biopotensial og bioimpedans
Et biopotensial er et elektrisk signal generert av den elektrokjemiske aktiviteten i kroppen vår. Eksempler på biopotensielle målinger inkluderer elektrokardiografi (EKG) og elektro-encefalografi. Disse oppdager signaler med veldig lav styrke i et frekvensbånd der det er flere forstyrrelser. Som et resultat av dette må signalet forsterkes og filtreres før det behandles. EKG-biopotensial målinger blir mye brukt i overvåking av vitale tegn, og Analog Devices tilbyr flere komponenter for denne oppgaven, inkludert AD8233, ADAS1000-familien og ADuCM3029.

AD8233 er designet for kroppsnære applikasjoner og kan kombineres med ADuCM3029, en systembrikke (SoC) basert på Cortex®-M3-teknologi, for å skape et komplett system. I tillegg er ADAS1000-familien, designet for applikasjoner i den øvre enden, er karakterisert av lavt energiforbruk. Den er spesielt egnet for batteridrevne bærbare enheter, og er skalerbar med hensyn til kraft og støy (det vil si at støynivået kan reduseres med en proporsjonal økning i strømforbruket), noe som gjør den til en velegnet integrert løsning for EKG-systemer.

Bioimpedans er en annen måling som kan gi oss nyttig informasjon om vår fysiske tilstand. Impedansmålinger gir informasjon om vår elektrodermale aktivitet, kroppssammensetningen og vår hydreringstilstand. Hver parameter krever en annen måleteknikk. Antall elektroder som kreves for hver enkelt og punktene de påføres på, kan variere sammen med frekvensområdet som brukes.

For eksempel brukes lave frekvenser (opptil 200 Hz) når man måler hudens impedans, mens det for kroppssammensetning vanligvis brukes en fast frekvens på 50 kHz. På samme måte brukes varierende frekvenser for å måle hydrering og for å kunne vurdere de intracellulære og ekstracellulære væskene korrekt.

Selv om teknikkene kan variere, kan en enkelt frontend løsning, AD5940, brukes til alle målinger av bioimpedans og impedans. Denne enheten leverer både eksitasjonssignalet og den komplette impedansmålekjeden. Ulike frekvenser kan genereres for å oppfylle flere målekrav. I tillegg er AD5940 designet for å samarbeide med AD8233 for å skape et omfattende bioimpedans og biopotensielt målesystem, som vist i figur 2. Andre enheter for impedansmåling inkluderer ADuCM35x-familien av SoC-løsninger, som i tillegg til den dedikerte analoge signalkjeden, har en Cortex-M3 mikrokontroller, minne, maskinvare-akseleratorer og kommunikasjonsutstyr for elektrokjemiske sensorer og biosensorer.

Bevegelsesmålinger ved bruk av MEMS-sensorer
Siden MEMS-sensorer kan detektere gravitasjonsakselerasjon, kan de brukes til å finne aktivitet og uregelmessigheter som ustø gange, fall eller hjernerystelse, eller til og med overvåke stilling når personen er i ro. I tillegg kan MEMS-sensorer brukes til å supplere optiske sensorer, ettersom de er utsatt for bevegelser; når dette skjer, kan informasjonen fra akselerometeret brukes til å gjøre en korreksjon. ADXL362 er en av de mest populære komponentene innen det medisinske området og det 3-aksede akselerometeret har det laveste energiforbruket på markedet. Den har et programmerbart måleområde fra 2 g til 8 g og en digital utgang.

ADPD4000: En universal analog frontend
Bærbare enheter som er tilgjengelige på markedet i dag, for eksempel smarte armbånd og smarte klokker, kommer med forskjellige funksjoner for overvåking av vitale tegn. Blant de vanligste er pulsmålere, skritteller og kaloriteller. Blodtrykk og kroppstemperatur måles også ofte, sammen med elektrodermal aktivitet, endringer i blodvolum (via fotopetysmografi) og andre målinger. Etter hvert som antall overvåkingsalternativer øker, øker også behovet for høyt integrerte komponenter. ADPD4000 har en fleksibel arkitektur og ble laget for å hjelpe designere med å møte dette behovet. Den kan kontrollere en fotometrisk frontend, styre lysdioder og lese fotodioder i tillegg til å gi biopotensial- og bioimpedansavlesninger. ADPD4000 er utstyrt med en temperaturføler for kompensasjon og en svitsjematrise, som gjør det mulig å styre de nødvendige utgangene og få signalene, enten for «single-ended» eller differensielle spenningssignaler. Utgangen er valgbar og kan være single-ended eller differensiell avhengig av inngangskravene til ADC’en som ADPD4000 er koblet til. Komponenten kan programmeres med 12 forskjellige tidsbånd, hver dedikert til å prosessere en bestemt sensor. Figur 3 oppsummerer nøkkelegenskapene til ADPD4000 i noen typiske applikasjoner.

Konklusjon
Med teknologifremskrittene vil overvåking av vitale tegn bli stadig mer vanlig i ulike industrier og i dagliglivet. Enten det brukes til behandling eller forebygging, krever slike helserelaterte løsninger pålitelig og robust teknologi. I den store porteføljen av Analog Devices’produkter dedikert til signalbehandling, vil utviklere av vitale tegn-systemer finne et bredt spekter av løsninger på utfordringene de møter.

Om forfatteren
Cosimo Carriero begynte i Analog Devices i 2006 som feltapplikasjonsingeniør for teknisk støtte til strategiske- og nøkkelkunder. Han har en Master of Science i fysikk fra Università degli Studi i Milano, Italia. Hans tidligere erfaringer inkluderer å definere og utvikle instrumentering for kjernefysikkeksperimenter, samarbeide med små selskaper og utvikle sensorer og systemer for fabrikkautomatisering ved Italias nasjonale institutt for kjernefysikk, og på Thales Alenia Space som senior designingeniør for satellitt kraftstyringssystemer. Han kan nås på cosimo.carriero@analog.com.