Chociaż ich funkcjonalność się poszerza, podstawowe wymagania im stawiane się nie zmieniają – wciąż ich konstrukcje są optymalizowane pod kątem rozmiarów, wygody użytkowania i czasu pracy na baterii. To odbija się niestety na ich dokładności, a ta w noszonych urządzeniach medycznych jest kluczowa.
Dawniej parametry życiowe można było sprawdzić jedynie w szpitalu albo gabinecie lekarskim. Z czasem stało się to możliwe również w domu, na przykład ciśnienie krwi można było mierzyć za pomocą ciśnieniomierzy, początkowo rtęciowych, a później też elektronicznych. Oba typy urządzeń wymagały ręcznej obsługi, a w przypadku ciśnieniomierzy rtęciowych konieczna była także pewna wprawa, aby pomiar był wiarygodny. Dotyczyło to również glukometrów i termometrów.
Wraz z rozwojem elektroniki noszonej sytuacja zaczęła się zmieniać. Chociaż na początku były to głównie gadżety dla miłośników fitnessu, które zliczały kroki i kalorie spalone podczas treningu, z czasem zaczęły też mierzyć parametry życiowe istotne dla oceny stanu zdrowia Dzięki nim pacjenci zyskali możliwość by je samodzielnie monitorować, a na rynku wearables zaczęła się wyodrębniać nowa kategoria – noszonych urządzeń medycznych.
Kilka czynników sprzyja ich popularyzacji. Ich główne zalety to nieinwazyjność i bezobsługowość. Umożliwiają również ciągły pomiar parametrów życiowych. Dzięki temu można wcześnie wykryć niepokojące oznaki potencjalnych problemów zdrowotnych. To przyspiesza ich zdiagnozowanie, a także może stać się impulsem zachęcającym do zmiany stylu życia, na przykład przez ograniczenie szkodliwych nawyków i zwiększenie aktywności fizycznej. W przypadku schorzeń przewlekłych, jak choroby serca, cukrzyca i zaburzenia snu, można z kolei ocenić skuteczność wdrożonej terapii i szybko zareagować na pogorszenie się mierzonych parametrów, które może świadczyć o zagrożeniu życia, jak zawał, zwłaszcza, jeżeli takie urządzenie automatycznie przesyła dane do lekarza. Zalety telemedycyny uwidoczniła także pandemia.
Dlatego prognozuje się się, że dalszy rozwój noszonych urządzeń medycznych jeszcze zwiększy dostępność opieki zdrowotnej dla pacjentów oraz jej skuteczność zarówno w zakresie profilaktyki, leczenia, jak i reagowania na sytuacje skrajne. Wraz ze starzeniem się populacji oraz szerzeniem się chorób cywilizacyjnych ich popularność będzie z pewnością jeszcze rosła. Spośród różnych typów, te noszone na nadgarstku są wybierane najczęściej.
Czym jest fotopletyzmografia?
Noszone urządzenia medyczne wyposaża się w kilka typów czujników mierzących różne parametry pozwalające na ocenę stanu zdrowia i sprawności użytkownika. Takimi są jednostki inercyjne, które umożliwiają śledzenie ruchu i orientacji urządzenia, a tym samym osoby je noszącej, w przestrzeni trójwymiarowej. Są to zazwyczaj moduły ze zintegrowanymi akcelerometrami, magnetometrami i żyroskopami. Łącznie wyniki ich pomiarów dostarczają informacji pozwalających na analizowanie aktywności fizycznej użytkownika i wykrywanie wzorców ruchu, które można wykorzystać m.in. do zliczania wykonanych przez niego kroków, mierzenia przebytego dystansu, oszacowania ilości spalonych kalorii oraz wykrywania upadku, co jest wykorzystywane w monitorowaniu aktywności ludzi starszych.
W urządzenia noszone wbudowuje się również czujniki fotopletyzmograficzne. Fotopletyzmografia (photoplethysmography, PPG) to nieinwazyjna, optyczna metoda mierzenia zmian objętości krwi w tkankach poprzez wykrywanie zmian w ilości światła przez nie pochłanianego. Ponieważ to właśnie krew pochłania większość światła padającego na ciało, natężenie tego, które przez nie przenika jest odwrotnie proporcjonalne do objętości obecnej w nim krwi. Sygnał pomiarowy ma w związku z tym pulsujący przebieg, który odpowiada cyklom pracy serca. Czujniki PPG mogą być dzięki temu używane do pomiaru różnych parametrów fizjologicznych, w tym częstości akcji serca, zmienności rytmu serca, ciśnienia krwi, saturacji krwi tlenem, a nawet oceny jakości snu.
Czujnik PPG składa się ze źródła światła, zwykle diody LED i fotodetektora, umieszczanego poza ciałem. Gdy światło pada na ciało oddziałuje z tkankami na kilka sposobów. Część jest pochłaniana, co symbolizuje promień p1 na rysunku 1, część natomiast przechodzi na wylot różnymi drogami (p2). Część światła przechodzi na drugą stronę, ale nie dociera do fotodetektora (p3), zaś część ulega wewnętrznemu odbiciu i również opuszcza ciało (p4).
Transmisyjne czujniki PPG, które są wykorzystywane w praktyce klinicznej w pulsoksymetrii, mierzą strumień światła p2. Są zazwyczaj nakładane na palec. Źródło światła i detektor znajdują się w ich przypadku po przeciwnych stronach palca. Prawidłowo założony i zamocowany czujnik PPG tego typu generuje sygnał wysokiej jakości z dobrym stosunkiem sygnału do szumu. Z drugiej jednak strony – ogranicza ruchy dłoni. Dlatego w urządzeniach noszonych wykorzystuje się odbiciowe czujniki PPG, które mierzą strumień światła p4. W ich przypadku zarówno źródło światła, jak i detektor znajdują się po tej samej stronie ciała. To ułatwia zintegrowanie sensora w urządzeniu, takim jak smartwatch czy opaska fitness. Chociaż fotopletyzmografia ma dużo zalet z wykorzystaniem tego typu sensorów w noszonych urządzeniach medycznych wiąże się szereg wyzwań i ograniczeń, które wpływają na ich dokładność.
ulega absorpcji
Jak wpływa długość fali?
Na wyniki pomiarów czujników PPG ma wpływ wiele czynników. Jednym z najważniejszych jest długość fali promieniowania, którym oświetla się skórę. Wynika to stąd, że obecne w niej woda i melanina, jak i hemoglobina we krwi, różnią się pod względem właściwości pochłaniania światła w zależności od długości fali. Przykładowo woda, główny budulec (wypełniacz) skóry, wykazuje silną absorpcję promieniowania podczerwonego, ale minimalną światła widzialnego. Natomiast melanina, naturalny pigment, od której zależy kolor skóry, tym silniej pochłania promieniowanie im mniejsza jest jego długość fali.
Woda i melanina wpływają przede wszystkim na składową stałą sygnału PPG, ponieważ ich zmienność ma charakter długoterminowy – w krótkich odstępach czasu ich ilość w skórze nie zmienia się znacząco. Podobnie właściwości absorpcyjne hemoglobiny maleją wraz ze wzrostem długości fali. W połączeniu z tlenem z kolei, w porównaniu z hemoglobiną nieutlenioną, wykazuje ona mniejsze pochłanianie w zakresie światła czerwonego (570 – 700 nm), za to silniejsze przy większych długościach fal, czyli w podczerwieni. W przeciwieństwie do wody oraz melaniny, ilość hemoglobiny zmienia się jednak wraz ze zmianami przepływu krwi, zgodnie z rytmem serca. Dlatego absorpcja promieniowania o danej długości fali przez hemoglobinę wpływa na składową zmienną sygnału PPG.
Poza tym uwzględnić trzeba efekty powierzchniowe, jak odbicie – typowo kilka procent padającego światła jest odbijane od powierzchni skóry, niezależnie od długości fali, oraz odbicia wewnętrzne, które generalnie maleją wraz ze wzrostem długości fali światła W przypadku odbiciowych sensorów PPG pod uwagę trzeba wziąć też głębokość penetracji promieniowania, która zależy od współczynników absorpcji oraz rozpraszania skóry i jest tym większa, im większa jest długość fali promieniowania. Oznacza to w praktyce, że głębiej wnika podczerwień niż światło czerwone i zielone (rys. 2).
Artefakty ruchu
W warunkach klinicznych w czujnikach PPG do pomiaru saturacji przeważnie wykorzystywane są źródła podczerwieni i światła czerwonego, ze względu na znaczną różnicę w ich absorpcji między oksyhemoglobiną (hemoglobiną utlenioną) i deoksyhemoglobiną (hemoglobiną odtlenioną). Z kolei w urządzeniach noszonych na nadgarstku w pomiarach tętna wykorzystuje się głównie światło zielone (492 – 577 nm), które jest dobrze absorbowane przez hemoglobinę, a jego pochłanianie jest stosunkowo stałe w szerokim zakresie poziomów saturacji tlenem. To zapewnia dokładne i spójne wyniki pomiarów zmian objętości krwi.
Oprócz tego pomiary z wykorzystaniem światła zielonego są mniej wrażliwe na wpływy artefaktów ruchu, które stanowią poważny problem w odbiciowych czujnikach PPG, zwłaszcza w urządzeniach noszonych na nadgarstku, narażonych na intensywny ruch w trakcie aktywności fizycznej. Okazuje się bowiem, że w przypadku krótszych długości fal można uzyskać znaczącą poprawę stosunku sygnału do szumu, dzięki ich mniejszej podatności na zakłócenia wywołane ruchem. To z kolei jest efektem mniejszej głębokości wnikania krótszych fal.
Jednak nawet przy znacznie płytszym stopniu penetracji skóry przez światło zielone w porównaniu z czerwonym i podczerwienią, artefaktów ruchowym nie można całkowicie wyeliminować. Dlatego w układzie przetwarzania sygnału pomiarowego czujników PPG wprowadza się filtry adaptacyjne. W korygowaniu wpływu artefaktów ruchu opierają się one na sygnale z sensora przyspieszenia. Ważnym trendem w rozwoju pomiarów fotopletyzmograficznych jest również korzystanie ze źródeł światła o wielu długościach fal, co dzięki różnicom w interakcji między nimi a oświetlaną tkanką, pozwala uzyskać bardziej kompleksowe informacje o układzie sercowo-naczyniowym.
Konstrukcje
Jak pisaliśmy, sygnał PPG uzyskuje się przez oświetlenie skóry diodą LED i wykrywanie zmian natężenia światła odbitego od naczyń krwionośnych znajdujących się pod powierzchnią za pomocą fotodetektora, na przykład fotodiody, która generuje prąd proporcjonalny do natężenia odebranego światła. Analogowy sygnał pomiarowy jest następnie konwertowany w przetworniku analogowo-cyfrowym i poddawany niezbędnej obróbce w mikrokontrolerze.
Zasadniczo pojedyncza para dioda – fotodioda wystarcza do wykonania pomiaru – taka architektura jest powszechnie wykorzystywana w sprzęcie używanym w warunkach klinicznych. Te są oczywiście różne od tych, na które w życiu codziennym narażone są czujniki w urządzeniach noszonych – pacjent jest zwykle proszony o nie wykonywanie gwałtownych ruchów w tracie pomiaru, wykonywanego za pomocą sensora, który jest solidnie założony na palcu. Ponadto warunki oświetleniowe są stosunkowo stałe, a zmniejszenie poboru mocy nie jest priorytetem.
Z kolei w urządzeniach noszonych na nadgarstku ciągłość oraz siła kontaktu ze skórą użytkownika zmieniają się w zależności od osobistych preferencji, które znajdują odzwierciedlenie w sile zacisku paska. Wpływa również na nie intensywność ruchu użytkownika. Warunki oświetleniowe mogą się znacznie różnić w zależności od lokalizacji i pory dnia. Poza tym, ponieważ urządzenia noszone są zasilane bateryjnie, ważne jest, aby pobór prądu przez czujnik był jak najniższy. Ten warunek staje się jeszcze trudniejszy do spełnienia, jeżeli urządzenie ma uwzględniać różnorodność odcieni skóry u różnych użytkowników, na wiarygodność pomiarów w przypadku osób o ciemniejszej karnacji ma bowiem wpływ natężenie oświetlenia. Ponieważ wymagany jest wówczas silniejszy strumień światła, czujnik zużywa więcej energii. Tak rzeczywiście jest, jeśli aby uzyskać lepsze oświetlenie zwiększymy prąd diody lub użyjemy dwóch diod. Ponieważ udział źródła światła w całkowitym poborze mocy przekracza 50%, takie podejście jest nieefektywne i przyczynia się do szybszego rozładowania baterii.
Alternatywą jest wykorzystanie pojedynczej diody i dwóch fotodiod, które umożliwiają wykrycie większej ilości odbitego światła. W takim układzie pobór prądu diody można zmniejszyć o połowę, a przy tym zachować czułość porównywalną z użyciem pojedynczego fotodetektora. Natomiast w trudnych warunkach pracy, na przykład jeśli skóra użytkownika jest słabo ukrwiona i/lub wykonuje on intensywne ruchy, gdy mimo wszystko konieczne okazuje się zwiększenie prądu diody, w układzie z dwoma fotodiodami uzyskuje się proporcjonalne zwiększenie czułości. Wykorzystanie czterech fotodiod do detekcji światła odbitego umożliwia zaoszczędzenie jeszcze większej ilości energii. Taki układ pozwala też zmniejszyć wpływ ruchu i ciasnego zapięcia urządzenia na precyzję pomiaru.
Monika Jaworowska
