Ринок носимих багатопараметричних медичних моніторів

Вимоги до багатопараметричних медичних моніторів

До всіх багатопараметричних медичних моніторів висуваються однакові вимоги: вони мають бути точними, компактними та працювати протягом тривалого часу від одного заряду акумулятора. Щоб підтримати цю тенденцію, компанія Analog Devices розробила нове сімейство однокристальних біомедичних аналогових інтерфейсів, які розглядаються в цій публікації.

Я.-Х. Бройдерс

Значення вимірювання медичних параметрів

Рівень насичення крові киснем, електрокардіограма, артеріальний тиск, частота дихання – усі ці параметри ще донедавна вимірювали лише у медичних закладах. Такі вимірювання особливо важливі для літніх людей, пацієнтів у післяопераційний період або тих, хто переніс тяжкі захворювання та перебуває у зоні медичного ризику.

Використання поза клінікою

Крім того, багато здорових людей вимірюють ці параметри з профілактичною метою, під час занять спортом і т.п. Тому застосування багатопараметричних медичних моніторів поза межами медичних закладів є на сьогодні нагальною необхідністю. На ринку існує безліч медичних багатопараметричних систем, які вимірюють кілька медичних параметрів. Це можуть бути монітори серцевого ритму у поєднанні з датчиками руху, монітори для серцевого ритму разом із вимірюванням імпедансу шкіри для визначення стресу або аналізу сну.

Складність традиційних моніторів

У більшості випадків у багатопараметричних медичних моніторах кожне вимірювання виконується окремим аналоговим інтерфейсом, у результаті використовується кілька ІМС, кожна з яких містить власний АЦП, процесор, а також кілька джерел живлення і опорних напруг. Це призводить до зростання складності та надлишковості таких моніторів, збільшує їхні розміри і споживану потужність, зменшує надійність експлуатації.

Єдиний інтерфейс ADPD4000/ADPD4001

Доцільно в таких багатопараметричних моніторах мати один інтерфейс, до якого можуть бути підключені різні медичні датчики. Саме сімейство таких медичних інтерфейсів типу ADPD4000/ADPD4001 розроблено компанією Analog Devices. Структурна схема інтерфейсу сімейства ADPD4xxx наведена на рис.1. Він дозволяє працювати з медичними датчиками, які мають симетричний або несиметричний вихід. В інтерфейсі є 8-канальний мультиплексор, два трансимпедансних підсилювачі з програмованим коефіцієнтом підсилення, два смугових фільтри (СФ), два інтегратори і 14-розрядних АЦП по розрядному врівноваженню з максимальною частотою вибірки 1 МГц, процесорний вузол, драйвери світлодіодів і джерела сигналів збудження.

Можливості інтерфейсу ADPD4xxx

За допомогою цього інтерфейсу можна вимірювати різні медичні параметри, у тому числі використовувати його як інтерфейс для оптичних сигналів, наприклад, для вимірювання частоти серцевого ритму або рівня насичення крові киснем.

Вхідний каскад і перешкоди

У цьому випадку вимірюються фотоструми низького рівня, для чого потрібен вхідний каскад з високим імпедансом. Крім того, необхідно послаблювати перешкоди, викликані зовнішнім освітленням. Інтерфейс може бути використаний також для знімання й обробки кардіосигналів. Крім того, він формує сигнали збудження для вимірювання імпедансу шкіри (електродермальної активності) або імпедансу електрода при вимірюванні біопотенціалів.

Гнучкі часові інтервали

Мікросхема дозволяє користувачеві попередньо запрограмувати кожну конфігурацію, а також виконання вимірювання у визначений часовий інтервал. ADPD4000 підтримує до 12 часових інтервалів, що робить систему дуже простою у використанні після її налаштування.

Енергоспоживання та збереження даних

Крім того, цей інтерфейс не потребує додаткових ресурсів процесорної обробки, що допомагає мінімізувати загальне енергоспоживання системи. Інтерфейс дозволяє усереднювати результати перетворення для підвищення точності вимірювання. Результати вимірювань можуть бути збережені у пам’ять FIFO обсягом до 512 байт.

Синхронізація вимірювань

В інтерфейсі передбачена синхронізація вимірювань за двома каналами, якщо потрібно визначити кореляцію між ними. На рис. 2 показано, як цей інтерфейс працює при вимірюванні ЕКГ синхронно з вимірюванням пульсової хвилі (ПХ).

За часом наростання пульсової хвилі можна вимірювати артеріальний тиск у безперервному режимі. Це важливо для пацієнтів, що страждають на гіпертонію.

Відомо, що під час зняття електрокардіограми відбувається вимірювання електричних сигналів, які генеруються серцем внаслідок деполяризації та реполяризації серцевого м’яза на кожен удар серця. Кардіосигнали, як правило, мають амплітуду від 0,5 мВ до 4 мВ і вимірюються у смузі частот від 0,05 до 40 Гц.

Якість електродів

ЕКГ-сигнали мають частоту серцевих скорочень, водночас форма самої пульсової хвилі може бути використана як характеристика роботи серця, включаючи попередній прогноз про потенційне захворювання серця, таке як миготлива аритмія або гіпертонія. Робота серця контролюється за допомогою електродів, прикріплених до шкіри пацієнта.

Вологі та сухі електроди

Щоб гарантувати добрий контакт із тілом, зазвичай використовують вологі електроди. Найбільш поширеними є електроди типу срібло/срібло-хлорид (Ag/AgCl). При використанні поза клінікою ці електроди швидко висихають і можуть викликати подразнення шкіри. При використанні сухих електродів контакт між шкірою і електродом погіршується, причому сухі електроди більш чутливі до зміни положення пацієнта, його активності, що призводить до менш точного зчитування кардіосигналів.

Стабільність сигналу

Інтерфейси сімейства ADPD4000 дозволяють впоратися з цією проблемою, забезпечуючи точне вимірювання кардіосигналів незалежно від типу та якості електродів.

На рис. 1 показано, як сигнал ЕКГ подається на входи ІМС інтерфейсу через RC-ланцюг. Такий знім сигналу з кардіоелектрода забезпечує стійкість до коливань імпедансу «шкіра-електрод». На рис. 3 наведено два сигнали ЕКГ, причому сигнал, позначений на рисунку синім кольором, виміряно високоякісним електродом із вихідним опором 51 кОм та ємністю 47 нФ, а сигнал, виділений червоним кольором, отримано за допомогою електрода низької якості з вихідним опором 510 кОм та вихідною ємністю 4,7 нФ. Незважаючи на відмінності у якості кардіоелектродів, новий інтерфейс ADPD4000 дозволяє отримати практично однакові кардіосигнали незалежно від якості електродів. У цьому полягає основна перевага нового інтерфейсу порівняно з наявними на ринку. Ще однією перевагою ІМС ADPD4000 є висока енергоефективність, оскільки під час заряджання конденсатора ІМС неактивна, а максимальне споживання цієї ІМС становить 200 мкВт.

Оптичні вимірювання

Для вимірювання пульсових хвиль оптичним методом в ІМС ADPD4000 є вісім драйверів світлодіодів, оскільки у багатьох медичних системах одночасно використовуються світлодіоди різної довжини хвилі. Струм драйверів програмується з максимальною величиною 200 мА на канал.

Підтримка кількох каналів

Залежно від конфігурації інтерфейс ADPD4000 підтримує зняття різних сигналів у різних часових інтервалах, наприклад, для вимірювання серцевого ритму, рівня насичення крові киснем, рівня гідратації або дегідратації організму.

Вхідні підсилювачі

Кожен із двох вхідних каналів має програмований трансимпедансний підсилювач. Співвідношення сигнал/шум вхідного каналу становить не менше 100 дБ для сімейства ADPD4xxx, що робить його дуже корисним для застосування в оптичних вимірюваннях, чутливих до шуму, наприклад, при вимірюванні насичення крові киснем або оцінці артеріального тиску за формою пульсової хвилі.

Електродермальна активність

Багато носимих систем можуть вимірювати провідність шкіри для таких застосувань, як електродермальна активність, стрес або моніторинг психічного стану.

Багато носимих систем можуть вимірювати провідність шкіри для таких застосувань, як електродермальна активність, стрес або моніторинг психічного стану. При цьому необхідно генерувати збуджувальний струм для вимірювання падіння напруги на обраному ділянці шкіри. Родина ADPD4000 підтримує такі вимірювання у 2- або 4-проводному режимі. Вимірювання імпедансу також може бути використане для визначення якості електрода. Оскільки родина інтерфейсів ADPD4xxx має 8-канальний мультиплексор, допоміжні входи можуть бути використані для вимірювання напруги, ємності, температури або контролю руху під час проведення моніторингу.

Висновки

Поява на світовому ринку мікроелектронних компонентів нових інтерфейсів компанії Analog Devices типу ADPD4000/ADPD4001 дозволить вирішити багато з проблем, з якими стикаються розробники під час створення носимих медичних моніторів, носимих систем доставки ліків тощо. Ці нові ІМС забезпечують високу продуктивність і багатоканальний вхід для підключення різнотипних джерел медичних сигналів. У їх складі є драйвери для керування світлодіодами під час оптичних вимірювань, джерела сигналів збудження під час реєстрації стресів, засоби обробки кардіосигналів і пульсових хвиль, які дозволяють не лише оцінювати, а й прогнозувати стан здоров’я пацієнта.