Aplikacje medyczne do monitorowania stanu zdrowia człowieka
| TechnikaMonitorowanie funkcji życiowych wykracza coraz dalej poza granice praktyki medycznej i obejmuje wiele dziedzin codziennego życia. Pierwotnie monitorowanie czynności życiowych odbywało się wyłącznie w placówkach medycznych pod nadzorem lekarza. Postęp w mikroelektronice doprowadził do zmniejszenia kosztów systemów monitorowania, czyniąc te technologie bardziej dostępnymi i powszechnymi w obszarach takich jak telemedycyna, sport, fitness oraz bezpieczeństwo w miejscu pracy, a także w motoryzacji, która coraz bardziej koncentruje się na autonomicznej jeździe. Bez względu na aplikację, zawsze liczy się wysoka jakość.
Parametry zdrowotne
Monitorowanie parametrów życiowych polega na pomiarze szeregu parametrów fizjologicznych, które mogą wskazywać na zdrowie danej osoby. Tętno jest jednym z najczęstszych parametrów i można go zmierzyć za pomocą elektrokardiogramu, który mierzy częstotliwość bicia serca, a przede wszystkim jego zmiany. Zmiany tętna zwykle zależą od aktywności. Podczas snu lub podczas odpoczynku rytm jest wolniejszy, ale ma tendencję do zwiększania się po aktywności fizycznej, reakcji emocjonalnej, stresie lub w niepokoju.
Tętno, które wykracza poza normalny zakres, może wskazywać na zaburzenia takie jak bradykardia (gdy tętno jest zbyt wolne) lub tachykardia (gdy jest zbyt szybkie). Oddychanie jest kolejnym kluczowym znakiem życiowym. Poziom natlenienia krwi można zmierzyć za pomocą techniki zwanej fotopletyzmografią (SpO2). Słabe dotlenienie może być związane z początkiem chorób lub zaburzeń wpływających na układ oddechowy. Inne pomiary parametrów życiowych, które mogą wskazywać na stan fizyczny osoby, to ciśnienie krwi, temperatura ciała i przewodnictwo skóry. Odpowiedź przewodności skóry, zwana również odpowiedzią elektrodermiczną, jest ściśle związana ze współczulnym układem nerwowym, który z kolei jest bezpośrednio zaangażowany w regulację zachowań emocjonalnych. Pomiar przewodnictwa skóry dostarcza wskazówek dotyczących stresu, zmęczenia, stanu psychicznego i reakcji emocjonalnej pacjenta. Ponadto pomiar składu ciała, zawartości procentowej masy beztłuszczowej i masy tłuszczowej oraz stopnia nawodnienia i odżywiania dostarcza wyraźnych wskazówek co do stanu klinicznego danej osoby. Wreszcie, pomiar ruchu i postawy może dostarczyć użytecznych informacji na temat aktywności pacjenta.
Technologie pomiaru parametrów życiowych
W celu monitorowania parametrów życiowych, takich jak tętno, oddychanie, ciśnienie krwi i temperatura, przewodnictwo skóry i skład ciała, wymagane są różne czujniki, a rozwiązania muszą być zwarte, energooszczędne i niezawodne. Monitorowanie czynności życiowych obejmuje pomiary optyczne, biopotencjalne, impedancji i za pomocą czujników MEMS.
Pomiary optyczne
Rysunek 1 pokazuje typowy łańcuch sygnałowy dla pomiarów optycznych. Źródła światła (zazwyczaj diody LED) są źródłem sygnału pomiarowego, który może składać się z różnych długości fal. Wykonanie pomiaru kilka razy na różnych długościach fali pozwala uzyskać większą precyzję. Do przekształcenia sygnału optycznego w sygnał elektryczny wymagane są czujniki krzemowe (fotodiody, fototranzystory). Muszą one reagować na długość fali źródła światła z wystarczającą czułością i liniowością. Generowany przez nie fotoprąd należy następnie wzmocnić i przekonwertować, stąd potrzeba wydajnego, energooszczędnego, wielokanałowego interfejsu analogowego, który może kontrolować diody LED, wzmacniać i filtrować sygnał analogowy (kondycjonować) oraz wykonywać konwersję analogowo-cyfrową z niezbędną rozdzielczością i precyzją.
Obudowa układu optycznego również odgrywa istotną rolę. Jest ona systemem z jednym lub większą liczbą okien optycznych, które dzięki pokryciom i powłokom mogą filtrować wychodzące i przychodzące światło, bez nadmiernego tłumienia lub odbić, które mogłyby zagrozić integralności sygnału. Obudowa układu optycznego musi również zmieścić wiele elementów, w tym LED-y, fotodiody oraz analogowe i cyfrowe układy przetwarzające. Wreszcie powłoki optyczne na soczewkach i oknach tworzą filtry optyczne eliminujące niepożądane sygnały. Aplikacja musi działać nawet pod wpływem promieni słonecznych. Jeśli nie ma filtra optycznego, silny sygnał spoza widma może nasycić tor analogowy, uniemożliwiając w ten sposób prawidłowe działanie elektroniki.
Analog Devices oferuje rodzinę fotodiod do analogowych głowic wejściowych zdolnych do rejestrowania sygnału i dalszego sterowania diodami LED. Dostępny jest również zintegrowany układ optyczny, który zawiera diody LED, fotodiody i głowicę analogową, na przykład ADPD1081.
Pomiary biopotencjalne i bioimpedancji
Biopotencjał to sygnał elektryczny generowany przez zjawisko aktywności elektrochemicznej w naszym ciele. Przykłady pomiarów biopotencjalnych obejmują elektrokardiogram (EKG) i elektroencefalogram. Oba zagadnienia dotyczą sygnałów o bardzo małej wartości w paśmie częstotliwości, w którym występuje wiele zakłóceń. W rezultacie odebrany sygnał musi zostać wzmocniony i przefiltrowany przed przetworzeniem na postać cyfrową. Pomiary biopotencjalne EKG są szeroko stosowane w monitorowaniu parametrów życiowych, a Analog Devices oferuje kilka chipów nadających się do tego zadania, w tym AD8233, rodzinę ADAS1000 i ADuCM3029.
AD8233 jest przeznaczony do elektroniki noszonej i można go połączyć z SoC ADuCM3029 zawierającym procesor Cortex-M3, w celu stworzenia kompletnego systemu pomiarowego. Ponadto rodzina ADAS1000, przeznaczona do aplikacji wyższej klasy, charakteryzuje się małym zużyciem energii. Jest to szczególnie istotne w sprzęcie mobilnym zasilanym z baterii. Układy te są skalowalne pod względem poboru mocy i poziomu szumów (to znaczy, poziom szumów można zmniejszyć przy proporcjonalnym wzroście zużycia energii), co czyni go doskonałym zintegrowanym rozwiązaniem dla sprzętu EKG.
Bioimpedancja to kolejny pożyteczny pomiar dostarczający informacji na temat aktywności, składu ciała i stanu nawodnienia. Każdy taki parametr wymaga innej techniki pomiaru. Ponadto liczba wymaganych elektrod i punkty zamocowania na ciele mogą się różnić wraz z zakresem używanych częstotliwości.
Na przykład małe częstotliwości (do 200 Hz) są używane podczas pomiaru impedancji skóry, podczas gdy w przypadku składu ciała człowieka zwykle stosuje się stałą częstotliwość sygnału 50 kHz. Podobnie do pomiaru nawodnienia i prawidłowej oceny płynów wewnątrzkomórkowych i zewnątrzkomórkowych stosowane są zmienne częstotliwości.
Chociaż techniki pomiarowe się różnią, jedna głowica (front end) AD5940 może być używana do wszystkich pomiarów bioimpedancji i impedancji. Ten układ dostarcza sygnał pobudzający i obwody pomiaru impedancji. Można generować różne częstotliwości w celu spełnienia wielu wymagań pomiarowych. Ponadto AD5940 został zaprojektowany do współpracy z AD8233, co razem pozwala na stworzenie kompleksowego systemu pomiaru bioimpedancji i odczytu biopotencjałów, jak pokazano na rysunku 2. Inne układy scalone do pomiaru impedancji obejmują rodzinę rozwiązań typu SoC o oznaczeniu ADuCM35x, które oprócz głowicy wejściowej mają mikrokontroler z rdzeniem Cortex-M3, pamięć i interfejs komunikacyjny pozwalający na wygodne tworzenie czujników elektrochemicznych i bioczujników.
Pomiary ruchu za pomocą czujników MEMS
Ponieważ czujniki MEMS mogą wykrywać przyspieszenie ziemskie, mogą być używane do wykrywania aktywności i anomalii zdrowotnych, takich jak niestabilny chód, upadek lub wstrząśnięcie mózgu, a nawet nadają się do monitorowania postawy, gdy pacjent jest w spoczynku. Ponadto czujniki MEMS można wykorzystać do uzupełnienia czujników optycznych, ponieważ te ostatnie są wrażliwe na artefakty wywołane poruszeniem. Kiedy to nastąpi, informacje z akcelerometru mogą zostać wykorzystane do dokonania korekty ich pracy. ADXL362 jest jednym z najpopularniejszych układów dla branży medycznej. To 3-osiowy akcelerometr o najmniejszym zużyciu energii na rynku. Charakteryzuje się programowalnym zakresem pomiarowym od 2 do 8 g oraz ma wyjście cyfrowe (rys. 3).
ADPD4000: uniwersalna analogowa głowica wejściowa (AFE)
Elektronika noszona, taka jak inteligentne bransoletki i zegarki, zapewnia już dzisiaj różne funkcje monitorowania parametrów życiowych człowieka. Najczęściej są to monitory pracy serca, krokomierze i liczniki kalorii. Często mierzone jest również ciśnienie krwi i temperatura ciała, aktywność elektryczna skóry, zmiany objętości krwi (za pomocą fotopletyzmografii) i inne. Wraz ze wzrostem liczby monitorowanych parametrów rośnie zapotrzebowanie na zintegrowane komponenty elektroniczne. W takim obszarze ADPD4000 charakteryzuje się bardzo elastyczną architekturą i jest w stanie pomóc projektantom osiągnąć założone cele. Może zarządzać układem wejściowym pomiarów fotometrycznych (zespołem diod LED i fotodiod), a także zapewniać odczyty biopotencjałów i bioimpedancji. Układ ten jest wyposażony w czujnik temperatury do kompensacji temperaturowej wskazań i ma matrycę przełączającą, która umożliwia aktywację określonych wyjść i wejść sygnałowych, zarówno dla torów symetrycznych jak i różnicowych. Pozwala to dołączać do przetwornika ADC określone obwody na czas pomiaru i tworzyć elastyczne konfiguracje. W układzie można też zaprogramować 12 różnych przedziałów czasowych, z których każdy jest przeznaczony do przetwarzania danych z określonego czujnika. Rysunek 3 podsumowuje kluczowe cechy ADPD4000 w kilku typowych aplikacjach medycznych.
Cosimo Carriero
Field Applications Engineer Analog Devices
Arrow Electronics Poland
tel. 22 558 82 66
www.arrow.com
