Перехід від носимих контрольних приладів до медичних пристроїв

У статті розглянута платформа-прототип багато­функціонального носимого медичного при­строю, який за допомогою прикладного програм­ного забезпечення може бути використаний у спортивній медицині, у моніторингу стану здоров’я людей похилого віку, для визначення стану військо­вих і т.п.

Дж.-Г. Бродерс

Населення світу старіє, і все більше людей по­требують медичної допомоги, що значно впливає на загальні витрати на медичне обслуговування. Через цю ситуацію влада та медичні страхові компанії при­діляють більше уваги профілактиці, обізнаності про стан здоров’я та спосіб життя пацієнтів. Це виклика­ло стрімкий розвиток засобів моніторингу життєво важливих фізіологічних параметрів людини. Саме тому за останні кілька років доходи компаній, що займаються виробництвом розумних медичних го­динників та інших подібних засобів для моніторингу цих параметрів, суттєво зросли.

Купівля медичних годинників і вимірювання фі­зіологічних параметрів людини ще не означає по­кращання якості життя. Здоровий спосіб життя по­лягає у стеженні за певними фізіологічними пара­метрами протягом тривалого періоду часу, що дає змогу використовувати їх для покращення здоров’я. Цей моніторинг може допомогти людині краще зро­зуміти, як працює її власний організм та як можна зменшити витрати на підтримку здоров’я в довго­строковій перспективі.

Стаття написана на основі нової носимої плат­форми компанії Analog Devices, яка наведена на рис.1. Компанія Analog Devices не є виробником кін­цевих продуктів для медичного застосування. Однак цю платформу створено як прототип, щоб допомог­ти розробникам нових медичних засобів пришвид­шити процес їх доведення до ринку, зробити їх ро­зумнішими і точнішими та придатними для профе­сійного застосування у медицині.

Рис. 1. Розумний медичний годинник для моніторингу фізіологічних параметрів людини

Широкий спектр життєво важливих параметрів людини можна виміряти за допомогою носимого пристрою. Залежно від загальної мети, певні пара­метри є більш важливими для вимірювання, ніж інші. Розташування носимого пристрою на тілі людини має суттєве значення для того, який параметр мож­на виміряти, а який ні. Найбільш вживаним місцем для цього є зап’ястя. Люди звикли носити пристрій на зап’ясті, тому на ринку багато медичних при­строїв, таких як розумні годинники та наручні прила­ди. Окрім вимірювання на зап’ясті, носимі пристрої можуть бути розташовані на голові людини. Наприк­лад, навушники та вкладиші з вбудованими сенсо­рами для вимірювання таких параметрів, як частота серцевих скорочень, насичення крові киснем або температура тіла. Третє вживане місце для розташування носимих пристроїв є груди. Носимі моніто­ри серцевого ритму першого покоління були розта­шовані навколо нагрудного ременя, і цей спосіб ви­мірювання біопотенціалів і на сьогодні залишається найбільш точним та розповсюдженим методом.

Зараз замість ременя віддають перевагу спеці­альним електронним накладкам на грудях, оскільки ремінь не дуже зручний у носінні. Деякі виробники вже поставляють на ринок інтелектуальні чи смарт- накладки для моніторингу життєво важливих пара­метрів людини.

Залежно від місця розташування пристрою оби­рають технологію зчитування даних. Для визначення частоти серцевих скорочень вимірювання біопотен­ціалу є однією з найстаріших технологій. Ці сигнали досить потужні, і їх легко отримати за допомогою двох або більше електродів. Для цього підходу за­стосовують нагрудний ремінь або навушники. Однак виміряти біопотенціали в одній точці, наприклад на зап’ясті, майже неможливо. Для одноточкового ви­мірювання більш придатна оптична технологія. Світ­ло від світлодіода поступає в тканину людину, а його відбиття в результаті кровотоку в артеріях вимі­рюється за допомогою фотодатчика. З цього оптич­ного сигналу можна виділити потрібну інформацію про стан здоров’я користувача. Це на перший по­гляд проста технологія. Однак є кілька і факторів впливу, які можуть ускладнити отримання валідних даних, наприклад, у процесі руху людини або під впливом зовнішніх природних факторів.

Платформа переносних пристроїв GEN II компа­нії Analog Devices, рис. 1, містить більшість із наве­дених технологій. Пристрій призначений для носін­ня на зап’ясті, хоча його також можна носити на ре­мені як смарт-накладку. Пристрій працює від акуму­ляторної батареї та містить необхідні компоненти для вимірювання біопотенціаів, оптичного вимірю­вання частоти пульсу, вимірювання біоімпедансу, відстеження руху та вимірювання температури тіла.

Задача такої носимої системи полягає в тому, щоб мати можливість легко вимірювати кілька жит­тєво важливих фізіологічних параметрів людини. Пристрій може одночасно вимірювати декілька па­раметрів та зберігати результати а вбудованій пам’ті або надсилати їх через бездротове з’єднання на інтелектуальний пристрій, а саме мобільний те­лефон або планшет. Оскільки вимірювання усіх па­раметрів виконується одночасно, це дає можливість визначати кореляцію між кількома виміряними пара­метрами. Розробники носимих медичних пристроїв постійно шукають нові технології, програми та алгоритми для виявлення захворювань на ранніх стадіях, щоб мінімізувати негативні наслідки або пошкод­ження організму, які можуть виникнути на пізніх ста­діях.

Нова носима система компанії Analog Devices є унікальним пристроєм завдяки поєднанню вбудова­них медичних сенсорів, потужного процесора та бездротового зв’язку. Оптична система побудована на базі аналогового інтерфейсу ADPD107 та викори­стовується для виміру фотоплетизмограми, ЕКГ і частоти серцевих скорочень. Один електрод на зад­ній частині пристрою знімає електропотенціал з руки, а другий електрод у верхній частині пристрою знімає електропотенціал при його торканні іншою рукою. У такий спосіб забезпечується замикання електричного ланцюга. Електроди на задній стороні пристрою виконують подвійну функцію. Окрім вимі­рювання ЕКГ, їх можна використовувати для вимірю­вання шкірної електроактивності, яка пов’язана з провідністю шкіри, що може змінюватися через емоції, викликані внутрішніми або зовнішніми по­дразниками. Годинник GEN II здатний визначити хвилинну зміну провідності. Пристрій забезпечує високий рівень точності при мінімальній потужності споживання. І останнє, але не менш важливе те, що у пристрій інтегровано датчик температури для ви­мірювання температури тіла та 3-осьовий MEMS- акселерометр для відстеження руху. Рух завжди є важливим показником, оскільки частота серцевих скорочень, або частота дихання залежать від фізич­ної активності людини. Частота серцевих скорочень 140 ударів на хвилину є нормальною, коли людина бігає, але якщо вона становить 140 ударів на хвили­ну у стані спокою, то це є причиною для приймання відповідних медичних заходів. Процесор ADuCM3029 із наднизьким енергоспоживанням ін­тегровано у пристрій для збору даних від сенсорів і запуску алгоритмів обробки даних. На рис. 2 наве­дено структурну схему системи збору даних від від­повідних медичних сенсорів на базі процесора ADuCM3029.

Рис. 2. Структурна схема системи збору даних від медичних сенсорів  на базі процесора ADuCM3029.

Для частоти серцевих скорочень потрібне вимі­рювання ЕКГ або фотоплетизмограми. Випадки ви­користання, коли потрібні багаторазові вимірюван­ня, включають керування стресом або постійний мо­ніторинг артеріального тиску. Емоційний стан можна виміряти шляхом спостереження за змінами провід­ності шкіри. Якщо необхідно поєднати його з моніто­рингом інших параметрів, таких як частота серцевих скорочень і варіабельність серцевого ритму, важли­вість вимірювання значно зростає. Температуру шкіри також можна включити як додаткову вхідну ін­формацію для визначення стресу. Моніторинг арте­ріального тиску є ще одним важливим випадком ви­користання розумного медичного годинника. Це важливий параметр, але більшість таких систем за­сновані на манжетах, які важко інтегрувати в систе­му безперервного використання. Однак існують певні непрямі методи, які можна використовувати для вимірювання артеріального тиску без застосу­вання манжети. Один з таких методів базується на використанні швидкості наростання пульсової хвилі. На рис. 3 показані діаграми вимірювання ЕКГ у по­єднанні з плетизмограмою за допомогою розумно­го годинника.

Рис. 3. Кардіограма та плетизмограма, виміряні розумним медичним годинником

ВИСНОВКИ

Таким чином, розумний медичний годинник GEN II має багато вбудованих високоефективних сенсо­рів. Це робить його дуже привабливим для компаній і виробників, які зосереджуються на розробці носи- мих медичних пристроїв різного призначення, а саме для людей похилого віку, хронічно хворих паці­єнтів, спортсменів, військових і т. і. Слід відзначити, що кілька фізіологічних параметрів людини можна вимірювати одночасно, а за допомогою відповідно­го прикладного програмного забезпечення можна підтримувати різні варіанти застосування. Цей при­стрій, як прототип, допоможе розробникам і вироб­никам пришвидшити виконання особистої розроб­ки, перевірити та протестувати свої алгоритми і про­грами для конкретних застосувань Деякі функції цього годинника вже сьогодні відповідають вимогам медичних стандартів, інші ще потребують удоскона­лення.