Klinikai szintű, ultraalacsony fogyasztású életjelmonitorok tervezése

Testünk működésének létfontosságú jeleit hagyományosan klinikai körülmények között, képzett egészségügyi dolgozók segítségével szokás mérni, akik megfelelően rögzítik a szükséges elektródákat, és kezelik a berendezéseket. Habár sok helyzetben a szükség motiválja, egy ember életjeleinek sebészeti vagy kórházi környezeten kívüli mérése előnyökkel is jár. Az életjelek hordozható, kézi eszközökkel történő mérése hasznos megoldást jelent a távoli egészségügyi megfigyelések, a sportolói teljesítményértékelés és az egészségtudatos személyek számára egyaránt.

Írásunkban körbejárjuk a szívritmus mérésének különböző módszereit, megvizsgáljuk az életjelmonitorok tervezésében rejlő kihívásokat, és bemutatjuk az Analog Devices/Maxim Integrated MAX86178 életjel-monitorozás analóg frontend (AFE) integrált áramkört – ami egy innovatív, rendkívül hatékony és számos életjel-monitorozási módszerrel felszerelt megoldás, a legújabb klinikai és fogyasztói alkalmazások igényeinek kielégítésére.

Az életjelek mérési módszerei

Egy személy szívritmusának elektronikai úton történő érzékelésére három módszer létezik: a fotopletizmográfia (PPG), az elektrokardiogram (EKG) és a bioimpedancia (BioZ). Mindegyik megközelítésnek megvannak a maga előnyei, a választást jellemzően a felhasználás módja határozza meg.

Fotopletizmográfia (Photoplethysmography – PPG)

Ez egy nem invazív módszer a szív kapacitásának mérésére. A módszer lényege, hogy egy LED fényforrás egy bizonyos hullámhosszon megvilágítja a bőr szubkután szöveteit, majd egy fényérzékelő dióda méri és kiértékelhető elektromos jelekké alakítja a fény visszaverődését. Ahogy a szív dobog, a szívműködés ezen ciklusa egy impulzust vagy nyomáshullámot hoz létre a vérben, amely áthalad az artériákon, és az erek kitágulását, illetve összehúzódását eredményezi. Az erek ilyetén mozgása változást okoz a visszavert fény mennyiségében, és ezáltal a fotodióda kimeneti jeleiben. Különböző hullámhosszúságú fényt kibocsátó LED-ekkel elkülöníthetők egymástól az arteriális (világospiros, oxigéndús) és a vénás (sötét és oxigénszegény) véráram, és ezáltal mérhető a személy véroxigénszintje is. Mivel a PPG-alapú érzékelés egyszerű optikai módon működik és nem igényel elektromos kapcsolatot a viselővel, népszerű választás az okosórák és a viselhető egészségmonitorok esetében.

1. ábra Az EKG által biztosított QRS-hullámforma kulcsfontosságú információkkal látja el a klinikusokat és kardiológusokat a páciens egészségi állapotával kapcsolatban (Forrás: Analog Devices/Maxim Integrated)

Elektrokardiogram – EKG

Az EKG a szívizomszövet tevékenységének elektromos mérését jelenti, egyike az emberi testen alkalmazott biopotenciális érzékelési módszereknek. Jellegzetes hullámforma megjelenéssel rendelkezik (1. ábra), aminek elemeit QRS-komplexnek nevezzük. Segítségével a klinikusok és kardiológusok képet kapnak a páciens általános egészségi állapotáról és szívfunkcióiról. Az EKG-jel minden része egyes szívizomcsoportok összehúzódásához tartozik, amelyeknek egy bizonyos sorrendben kell működniük a véráramlás biztosításához. Az EKG-vizsgálatokhoz elektródákat kell csatolni az emberi testre. Habár ez a vizsgálat is a nem invazív kategóriába tartozik, az elektródák csatlakozásának szükségszerűsége miatt ez a megközelítés kevésbé kényelmes, mint a PPG.

Bioimpedancia (BioZ)

A bioimpedancia az elektromos mérések egy másik formája, amely szintén a testre rögzített elektródák segítségével érzékeli a szívverés ritmusának jeleit. A megközelítés hasonló a biopotenciális EKG-hoz, de azzal szemben a test elektromos jelekkel szembeni szöveti impedanciájának változásait méri.
A három érzékelési eljárás kombinálásával rendkívül megbízható életjelmonitor hozható létre, ami lényegesen többre lehet képes a szívritmus egyszerű mérésénél.

Az életjelmonitorok tervezési kihívásai

Bármilyen hordható és hordozható eszköz létrehozása kihívásokkal jár, a környezeti viszonyoknak való kitettségtől a kijelzők erős fényben való olvashatóságáig. Egy folyamatosan mozgó személy életjeleinek pontos mérése potenciálisan a jel zajosodásával járhat. Ezeken felül az eszköz újratölthető akkumulátorról történő energiaellátása gondos energiagazdálkodási technikák alkalmazását és a termék működésének alacsony energiafogyasztású kialakítását igényli, hogy képes legyen megfelelni a fogyasztók elvárásainak. Habár az elektródák használata lényegesen pontosabb képet ad a vizsgált személy életjeleiről, az elektródák viseléséhez szükséges szoros mellpánt hordása hosszabb időn keresztül kényelmetlen, tapadós betétekkel pontos pozícióban történő rögzítésük pedig sok időt vesz igénybe. Az emberi testre közvetlenül csatlakoztatott orvosi eszközökre szigorú biztonsági előírások vonatkoznak az áramszivárgás okozta, potenciálisan végzetes áramütések elkerülése érdekében. A PPG-alapú érzékelés megvalósításához szükséges LED-ek és fotodiódák használata sokkal kényelmesebb a hosszú távú megfigyelések esetén. Ez a megoldás azonban összetettebb áramköröket igényel, és megoldást kell találni a környezeti fény zavaró hatásának kiszűrésére és olyan szigetelés kialakítására, ami megakadályozza a LED-ek fényének közvetlen eljutását a fotodiódához.

Analog Devices MAX86178

Az Analog Devices/Maxim Integrated MAX86178 egy ultra­ala­csony fogyasztású életjel IC, ami egy szinkronizált PPG-t, EKG-t és BioZ analóg frontendet (AFE) tartalmaz hordozható egészségügyi monitorok, és klinikai diagnosztikai eszközök széles skálájának kiszolgálásához.
Az IC-ben egy nagymértékben integrált és átfogó analóg frontend található. A PPG jellánc maximum hat darab, két nagy áramú, 8 bites meghajtó által vezérelt LED-et támogat. A bemeneti csatornát négy fotodióda és két alacsony zajszintű jelcsatorna alkotja, mindegyik 20 bites analóg-digitális átalakítóval (analog-digital converter – ADC) rendelkezik. Mindkét bemeneti csatornán környezeti fény kioltását végző áramkör működik.
Az alacsony zajszintű, magas bemeneti impedanciájú EKG-jellánc EMI-szűrést is tartalmaz, valamint egy kalibráló feszültségáramkört belső önellenőrzések végrehajtásához. Az egyéb funkciók között programozható erősítő, antialiasing aluláteresztő szűrő és egy nagy felbontású ADC is megtalálható. Az EKG-funkció megfelel a nemzetközileg elismert IEC 60601-2-47 ambuláns EKG-monitorozási szabványnak. A BioZ-csatorna szintén nagy bemeneti impedanciával, kalibrációs funkciókkal, programozható erősítővel és szűréssel rendelkezik.
A MAX86178 egy 49 gömbkivezetéses szeletszintű tokozásban (wafer-level package – WLP; Wafer Level Chip Scale Packaging – WLCSP) érhető el, mérete 2,77 × 2,57 mm, működési tartománya pedig -40 °C és +85 °C közötti.
A 2. ábrán egy önálló, akkumulátorüzemű, tapaszjellegű készülékházba tervezett életjelmonitor látható. Az eszközben egy MAX86178 található, amely mindhárom érzékelőcsatornát használja, valamint Bluetooth^® vezeték nélküli kapcsolatot biztosít. A MAX86178 használatával a szívegészségügyi adatok EKG-hullámformaként gyűjthetők, a véráram mérése optikai PPG-érzé­kelővel, a légzésszám figyelése pedig BioZ-méréseken keresztül lehetséges.

2. ábra Egy Analog Devices/Maxim Integrated MAX86178 eszközön alapuló komplett életjelmonitor felépítése (Forrás: Analog Devices/Maxim Integrated)

Fejlesztési erőforrások

Az Analog Devices egy referenciatervezési platformot biztosít a beágyazott rendszereket tervező mérnökcsapatok számára életjelmonitorok prototípusainak létrehozásához.
A mellkasi pánt típusú MAXREFDES106 referenciaterv (3. ábra) egy a MAX86178 IC-re épülő, átfogó fejlesztési platform. Tartalmaz egy MAX32674 IC-t, egy algoritmushubot, kimondottan a viselhető orvosi eszközök optikai érzékelőihez használható beágyazott algoritmusokkal, egy MAX20356 energiagazdálkodási IC-t és egy alacsony fogyasztású, kis zajszintű ADXL367 háromtengelyes gyorsulásmérőt. Az eszköz hardveres funkcióit egy MAX32666 gazda-mikrokontroller teszi teljessé Bluetooth 5 csatlakoztathatósággal.

3. ábra A MAXREFDES106 életjel-referenciaterv architektúrája (Forrás: Analog Devices/Maxim Integrated)

A MAXREFDES106 lehetővé teszi a vér oxigénszintjének (SpO₂), a pulzusnak (heart rate – HR), a légzésszámnak (respiration rate – RR), az impedancia-kardiográfiának (ICG), a testimpedancia-elemzésnek (BIA) és a bőr-, illetve a környezeti hőmérséklet mérését egy mellkason viselhető eszközben. A 4. ábrán látható diagramok példázzák a platformról és a mellékelt szoftverből kinyerhető diagramokat.

4. ábra Az Analog Devices/Maxim Integrated életjelmonitor fejlesztési platformjának kimeneti diagramjai (Forrás: Analog Devices/Maxim Integrated)

Ultraalacsony fogyasztású, viselhető életjelmonitorok gyors fejlesztése

Életjeleink megfigyelése pontos rálátást nyújt általános egészségi állapotunkra az egészségügyi szakemberek számára. Optikai érzékelőkkel és elektródákkal együttműködni képes érzékelő-interfészek prototípusainak megalkotása komoly tudást és szakértelmet igényel. Ezért egy elérhető, nagy integráltságú analóg frontend IC jelentősen leegyszerűsíti a feladatot. Írásunkban körbejártuk életjeleink érzékelésének különböző módszereit, és bemutattuk, miként egyszerűsítheti és gyorsíthatja fel a viselhető életjelmonitorok fejlesztési folyamatát a MAX86178 analóg frontend IC és a hozzá tartozó kiértékelő platform.

Szerző: Mark Patrick – Mouser Electronics EMEA-területének műszaki tartalmakért felelős igazgatója

Mouser Electronics
Hivatalos forgalmazó
www.mouser.com
Kövessen bennünket Twitteren:
https://twitter.com/MouserElecEU