Technologie Vital Sign - monitorowanie funkcji życiowych

Monitorowanie funkcji życiowych wykracza poza granice opieki medycznej i obejmuje wiele obszarów naszego codziennego życia. Pierwotnie monitorowanie parametrów życiowych odbywało się w szpitalach i klinikach pod ścisłym nadzorem medycznym. Postępy w mikroelektronice doprowadziły do ​​obniżenia kosztów systemów monitorowania, czyniąc te technologie bardziej dostępnymi i powszechnymi w obszarach takich jak telemedycyna, sport, fitness i wellness oraz bezpieczeństwo w miejscu pracy, a także na rynku motoryzacyjnym, na którym coraz większą rolę odgrywa jazda autonomiczna. Pomimo coraz bardziej powszechnych zastosowań, biorąc pod uwagę znaczenie tych zastosowań dla naszego zdrowia, standardy jakości muszą pozostać bardzo wysokie.

Funkcje życiowe

Monitorowanie parametrów życiowych obejmuje pomiar szeregu parametrów fizjologicznych, które mogą wskazywać na stan zdrowia danej osoby. Praca serca jest jednym z najczęstszych parametrów i można ją wykryć za pomocą elektrokardiogramu, który mierzy częstotliwość bicia serca i jego nieregularną pracę. Zmiany tętna zwykle zależą od aktywności. Podczas snu lub odpoczynku rytm jest wolniejszy, ale ma tendencję do zwiększania się po aktywności fizycznej lub w efekcie reakcji emocjonalnej, stresie lub niepokoju. Tętno wykraczające poza normalny zakres może wskazywać na obecność zaburzenia, takiego jak bradykardia (kiedy tętno jest zbyt niskie) lub tachykardia (kiedy jest zbyt wysoka).

Oddychanie to kolejna kluczowa funkcja życiowa. Poziom natlenienia krwi można zmierzyć za pomocą techniki zwanej fotopletyzmografią (SpO2). Słabe natlenienie może być związane z wystąpieniem chorób lub zaburzeń układu oddechowego.

Inne pomiary parametrów życiowych, które mogą wskazywać na stan fizyczny osoby, to ciśnienie krwi, temperatura ciała i reakcja przewodnictwa skóry. Reakcja przewodnictwa skóry, znana również jako reakcja elektrodermalna, jest ściśle powiązana ze współczulnym układem nerwowym, który z kolei jest bezpośrednio zaangażowany w regulację zachowań emocjonalnych. Pomiar przewodności skóry dostarcza wskazówek dotyczących stresu, zmęczenia, stanu psychicznego i reakcji emocjonalnej pacjenta.

Ponadto pomiar składu ciała, procentowej masy beztłuszczowej i tłuszczu oraz stopnia nawodnienia i odżywienia dostarcza jasnych wskazówek co do stanu klinicznego danej osoby. Wreszcie pomiar ruchu i postawy może dostarczyć przydatnych informacji na temat aktywności pacjenta.

Technologie pomiaru parametrów życiowych

Aby monitorować parametry życiowe, takie jak częstotliwość akcji serca, oddech, ciśnienie krwi i temperatura, przewodność skóry i skład ciała, wymagane są różne czujniki, a rozwiązania w aplikacjach medycznych muszą być kompaktowe, energooszczędne i niezawodne.  Monitorowanie funkcji życiowych obejmuje:

• Pomiary optyczne
• Pomiary biopotencjału
• Pomiary impedancji
• Pomiary za pomocą czujników MEMS
• Pomiary optyczne

Pomiary optyczne wykraczają poza standardową technologię półprzewodnikową. Do wykonania tego typu pomiaru potrzebny jest zestaw narzędzi do pomiarów optycznych. Rysunek 1 przedstawia typowy łańcuch sygnałowy do pomiarów optycznych. Do wygenerowania sygnału świetlnego, który może składać się z różnych długości fal, stosuje się różne źródła światła (zwykle diody LED). Połączenie kilku długości fal pozwala na większą precyzję pomiaru. Szereg czujników krzemowych lub germanowych (fotodiody) przekształca sygnał optyczny w sygnał elektryczny, znany również jako prąd fotoelektryczny. Fotodiody muszą reagować na długość fali źródła światła z wystarczającą czułością i liniowością. Prąd fotoelektryczny musi być następnie wzmocniony i przetworzony, stąd potrzeba wysokowydajnego, energooszczędnego, wielokanałowego analogowego front-endu, który może sterować diodami LED, wzmacniać i filtrować sygnał analogowy oraz przeprowadzać konwersję analogowo-cyfrową z niezbędną rozdzielczością i precyzją.

Rysunek 1. Łańcuch sygnałowy do pomiarów optycznych. © Analog Devices

Zasadniczą rolę odgrywa również obudowa układu optycznego, która w tym przypadku to nie tylko ‘pojemnik’ na strukturę półprzewodnikową, ale także system z jednym lub więcej okienkami optycznymi, które mogą filtrować światło wychodzące i przychodzące, bez nadmiernego tłumienia lub odbić, które mogłyby zagrozić integralności sygnału. Obudowa systemu optycznego musi również pomieścić wiele układów, w tym diody LED, fotodiody oraz analogowe i cyfrowe układy przetwarzania, aby stworzyć kompaktowy system wieloukładowy. Wreszcie, niezbędny jest także wybór odpowiedniej technologii powlekania, która umożliwia utworzenie filtrów optycznych, przepuszczających wybraną część widma, wymaganą w danej aplikacji i równocześnie wyeliminowania niepożądanych sygnałów. Ponadto, aplikacja musi działać również w ekspozycji na bezpośrednie promienie słoneczne. Jeśli brak w niej filtra optycznego, wielkość sygnału może nasycić łańcuch analogowy, uniemożliwiając w ten sposób prawidłowe działanie elektroniki.