Monitorear signos vitales multiparamétricos es más fácil que nunca

Introducción

La última década ha visto mejoras importantes en la salud móvil, portátil y digital. En particular, la rápida expansión y adopción de la atención médica digital se ve impulsada por los avances continuos en electrónica y los avances recientes en computación en la nube, inteligencia artificial (IA) y tecnologías de comunicación como Internet de las cosas (IoT) y 5G. Algunas de las capacidades de monitoreo de señales críticas (VSM) están incorporadas en teléfonos inteligentes, relojes y otros dispositivos portátiles, lo que los pone a disposición de una población mucho más amplia. El aumento de la conciencia sobre la salud ha llevado a la demanda de dispositivos pequeños pero de alta precisión que puedan medir varios signos vitales y marcadores de salud como la temperatura corporal, la frecuencia cardíaca, la frecuencia respiratoria y el nivel de saturación de oxígeno en la sangre (SpO).₂), presión arterial y composición corporal. En particular, la demanda de dispositivos capaces de monitorear múltiples signos vitales, incluida la temperatura, SpO, ha aumentado debido a la pandemia de COVID-19.₂, y la frecuencia cardíaca en hospitales y en el hogar. Históricamente, la necesidad de dispositivos de seguimiento de la salud pequeños y convenientes, preferiblemente dispositivos portátiles inteligentes, ha alcanzado niveles altos.

Agregar múltiples capacidades de detección a dispositivos tan pequeños plantea desafíos, ya que requiere un factor de forma más pequeño, menor consumo de energía y capacidades multiparámetro con un rendimiento muy mejorado. Sin embargo, esto ahora se puede lograr con una única solución frontal analógica. Este nuevo AFE actúa como un centro de monitoreo de signos vitales de múltiples parámetros para mediciones sincrónicas. Ofrece bajo nivel de ruido, alta relación señal-ruido (SNR), factor de forma pequeño y bajo consumo de energía, lo que permite mejoras significativas en los dispositivos médicos, especialmente en la tecnología portátil. Para médicos, pacientes y consumidores, hace que monitorear los signos vitales sea más fácil que nunca con un mayor rendimiento, mayor duración de la batería y mayor precisión sin la incomodidad de múltiples inserciones de dispositivos. Este artículo analiza algunas de las capacidades y características revolucionarias de esta exclusiva solución frontal analógica.

Una vista previa de la nueva interfaz analógica

el es ADPD4100/ADPD4101 es un sensor AFE multimodo con ocho entradas analógicas y soporte para hasta 12 franjas horarias programables. Los 12 intervalos de tiempo pueden permitir 12 mediciones separadas en un período de muestreo. Las ocho entradas analógicas se multiplexan en un solo canal o en dos canales independientes, lo que permite el muestreo simultáneo de dos sensores, en una configuración asimétrica o diferencial. Hay ocho controladores de LED que pueden controlar hasta cuatro LED simultáneamente. Estos controladores de LED son sumideros de corriente y son independientes de la tensión de alimentación del LED y del tipo de LED. Hay dos fuentes de tensión pulsada para la excitación de tensión. La ruta de la señal del nuevo AFE consiste en etapas de amplificador de transimpedancia (TIA), filtro de paso de banda (BPF), integrador (INT) y convertidor de analógico a digital (ADC). El bloque digital proporciona varios modos de operación, temporización programable, controles de entrada/salida de propósito general (GPIO), promedio de bloques y un filtro de peine en cascada (CIC) de cuarto orden seleccionable. Los datos se leen directamente del registro de datos o mediante un método de "primero en entrar, primero en salir" (FIFO).

Existen dos versiones de este nuevo AFE. tengo uno²Interfaz de comunicación C, y el otro tiene un puerto SPI. Una de las ventajas del ADPD4100/ADPD4101 está relacionada con las mediciones ópticas. Su capacidad superior de rechazo de la luz ambiental utiliza pulsos tan cortos como 1 µs en un esquema de modulación síncrona junto con el BPF, lo que elimina la necesidad de bucles de control externos, sustracción de CC o algoritmos digitales. Se puede utilizar un factor de atenuación superior a 1 para aumentar la SNR de salida. Hay una función de submuestreo que permite que los intervalos de tiempo seleccionados se ejecuten a frecuencias de muestreo más lentas que la frecuencia de muestreo programada para ahorrar energía, donde la potencia es proporcional a la frecuencia de muestreo. También hay una función de detección de techo TIA, que utiliza comparadores de voltaje en los terminales de salida TIA para establecer el bit de interrupción cuando la entrada TIA excede los límites operativos típicos.

El ADPD4100/ADPD4101 es un concentrador ideal para varios sensores eléctricos y ópticos en dispositivos portátiles de salud y fitness para monitorear la frecuencia cardíaca y la variabilidad de la frecuencia cardíaca (HRV), estimación de la presión arterial, seguimiento del estrés y el sueño, y SpO₂ la medida. Los múltiples modos de funcionamiento de este nuevo VSM AFE multiparámetro pueden admitir varias mediciones de sensor, incluidas, entre otras, fotopletismografía (PPG), electrocardiograma (ECG), actividad electrodérmica (EDA), composición corporal, respiración, temperatura y mediciones de luz ambiental en el cuidado de la salud. aplicaciones

Medición de PPG

La medición de PPG detecta el cambio en el volumen de sangre en el lecho microvascular del tejido asociado con cada ciclo cardíaco. La absorción total de luz se correlaciona con el cambio en el volumen de sangre debido a los eventos de sístole y diástole, produciendo una señal PPG. La medición de PPG se realiza golpeando una luz LED en el tejido humano y recolectando la luz reflejada/transmitida resultante con un fotodiodo, que convierte la luz en una fotocorriente. El ADPD4100/ADPD4101 procesa y mide la fotocorriente y emite la señal PPG digital. Sin modificar la conexión de hardware, el AFE se puede configurar de manera flexible para operar en cuatro modos diferentes para diferentes casos de uso de medición de PPG: modo de conexión continua, modo de integración múltiple, modo de punto flotante y modo de flujo de integración digital.

Método de conexión continua

El método de conexión continua es el método típico para la medición de PPG. Ofrece el mejor rechazo de la luz ambiental y ofrece una alta SNR. Funciona bien con una relación de transferencia de carga (CTR, fotocorriente a corriente LED) tan baja como 5 nA/mA a 10 nA/mA y puede proporcionar una SNR de 95 dB a 100 dB CC. Estos niveles pueden incrementarse con un factor de privación creciente. Utiliza la ruta de señal analógica completa, TIA + BPF + INT + ADC. La carga se integra una vez por conversión ADC. En un evento de estímulo único como PPG, la mayor parte del rango dinámico del integrador se utiliza cuando se integra la carga de respuesta detectada. El TIA está permanentemente conectado a las entradas después del período de preacondicionamiento; por lo tanto, la señal de entrada no se modula. Para reducir el ruido, el ánodo del fotodiodo se preacondiciona a la tensión de referencia TIA (TIA_V_ÁRBITRO). TIA_V_ÁRBITRO normalmente se establece en 1,27 V para lograr el rango dinámico más amplio del TIA. El cátodo del fotodiodo está conectado al pin de la fuente de voltaje del cátodo (VCx), y el dispositivo generalmente está sintonizado para proporcionar TIA_V_ÁRBITRO +215 mV en el cátodo del fotodiodo para crear una polarización inversa de 215 mV en el fotodiodo. Esto reduce el ruido de la ruta de la señal y la capacitancia del fotodiodo. En este modo, el ancho de pulso LED típico es de 2 μs. Los pulsos LED cortos brindan el mejor rendimiento para rechazar la luz ambiental. El uso de varios LED aumenta la SNR en 3 dB por cada duplicación del número de pulsos. Cortar el integrador generalmente permite lograr la SNR más alta, ya que el corte elimina el material de ruido de baja frecuencia del integrador. La selección de una ganancia TIA más alta da como resultado un ruido de transmisión de entrada más bajo, pero reduce el rango dinámico del TIA. El rango dinámico del TIA se calcula según rango dinámico = (TIA_V_ÁRBITRO)/(ganancia TIA). Para aumentar el nivel de saturación del ADC, se puede reducir la ganancia TIA o aumentar la resistencia del integrador. La selección de una resistencia integradora más alta da como resultado un ruido más bajo, pero seleccionar una resistencia integradora más baja aumenta el margen de luz ambiental.

Método de integración múltiple

El método de integración múltiple es el mismo que el método de conexión continua, excepto que la carga entrante se integra muchas veces mediante conversión ADC. Este método es útil para lograr una alta SNR en condiciones de poca luz porque utiliza una pequeña cantidad, a veces menos del 50 %, del rango dinámico por evento de estímulo. Por lo tanto, permite usar una mayor cantidad del rango dinámico del integrador debido a múltiples integraciones antes de la conversión de ADC. Cada duplicación del número de integraciones por conversión ADC da como resultado un aumento de 3 dB en SNR, que tiene el mismo efecto que duplicar el número de pulsos. Dado que este método es típico para entradas pequeñas, se elige la ganancia TIA más alta. Este método se utiliza en los casos en que el CTR es inferior a 5 nA/mA y se requiere un buen rechazo de la luz ambiental.

método flotante

El modo de punto flotante también se usa en situaciones de poca luz para lograr una SNR alta. El modo flotante permite la acumulación de carga sin ruido en el fotodiodo. El fotodiodo está desconectado del AFE -y por tanto flotando- y las cargas se acumulan, debido a la luz, sin ruido. Luego, el AFE se vuelve a conectar al fotodiodo, la carga del fotodiodo se acelera hacia el AFE y la integración se realiza de tal manera que se puede procesar la carga máxima por pulso con un ruido mínimo agregado por la ruta de la señal. La descarga de la carga ocurre rápidamente con pulsos cortos modulados; por lo tanto, el ruido adicional debido a la ruta de señal más pequeña. Además, el tiempo de fluctuación se puede aumentar para lograr niveles de señal más altos, pero hay un límite en la cantidad de carga que puede acumular el capacitor del fotodiodo. En este método, se evita el filtro de paso de banda (BPF) porque la forma de la señal producida, cuando la carga se transfiere desde el fotodiodo modificando la conexión al TIA, puede ser diferente entre dispositivos y condiciones. Para alinear de manera confiable la señal con la secuencia de integración, se debe omitir el BPF. Este método no proporciona un buen rendimiento de rechazo de la luz ambiental y está limitado por la capacitancia del fotodiodo, pero proporciona una medición más eficiente y silenciosa en condiciones de muy poca luz.

Método flotante frente a selección de método de integración múltiple para condiciones de poca luz

En condiciones de poca luz con CTR <5 nA/mA, el modo flotante es el modo normal de funcionamiento. Ofrece menos ruido que el método de integración múltiple porque el método de integración múltiple requiere más ciclos de integración, lo que da como resultado contribuciones de ruido integrador y TIA más altas. El método de punto flotante también es más eficiente energéticamente que el método de integración múltiple porque el BPF está apagado y el tiempo de medición es más corto. Por lo tanto, el rendimiento de SNR por stick es mucho mayor en modo flotante.

Cuando el fotodiodo tiene fugas o hay una cantidad significativa de luz ambiental presente en la medición PPG, se prefiere el método de integración múltiple. Los fotodiodos de descarga no se pueden utilizar con el modo de flotación porque la carga se filtra en lugar de acumularse antes de que se produzca la descarga rápida de la carga. Si la luz ambiental es alta, el modo flotante es desfavorable porque la luz ambiental domina la cantidad de carga que se puede almacenar en el fotodiodo. La integración múltiple proporciona un excelente rechazo de la luz ambiental utilizando BPF y pulsos LED cortos.

Método de integración numérica

Todos los métodos mencionados hasta ahora usan el integrador para integrar la carga de entrada. La integración numérica de muestras de ADC también es posible a través del método de integración numérica. Para realizar la integración numérica, el integrador se convierte en un búfer. El método de integración numérica opera en dos regiones. En la región brillante, el LED está pulsado y en la región oscura, el LED está apagado. Las muestras de ADC se toman a intervalos de 1 µs en las regiones claras y oscuras y se integran digitalmente. La señal se calcula restando la integración de las muestras oscuras de las muestras brillantes. Este modo puede admitir pulsos de LED más largos; por lo tanto, este es el modo típico de operación donde el fotodiodo tiene un tiempo de respuesta más lento y requiere pulsos más largos. El BPF se omite y se apaga. El método de integración digital proporciona la mejor eficiencia energética y da como resultado el logro de los niveles SNR más altos. Sin embargo, el rechazo de la luz ambiental es menor que en el modo de conexión continua, debido a los pulsos LED más largos y al bypass BPF. El método de integración digital no puede admitir el muestreo simultáneo de dos canales durante el mismo intervalo de tiempo. El modo de integración digital puede soportar más de 100 dB CC SNR.

Las ventajas y desventajas del método de integración digital.

Como se mencionó anteriormente, el modo de operación habitual para las mediciones de PPG es el modo de conexión continua porque proporciona una alta SNR y un excelente rechazo de la luz ambiental en condiciones en las que el CTR es superior a 5 nA/mA. Sin embargo, el método de integración digital proporciona los niveles SNR más altos y proporciona una eficiencia SNR optimizada por vatio. Por lo tanto, si la luz ambiental no es una preocupación para la aplicación y la SNR de CC objetivo es superior a 85 dB, se puede seleccionar el método de integración digital para lograr efectivamente una SNR alta. Si la SNR de CC objetivo es inferior a 85 dB, los ahorros de energía asociados con la integración digital no son significativos en comparación con el modo de enlace continuo.

En resumen, se puede elegir el método de integración digital si el fotodiodo requiere pulsos más largos debido a un tiempo de respuesta más lento del fotodiodo, o cuando no es necesario muestrear dos canales simultáneamente en un intervalo de tiempo. Además, cuando la luz ambiental no es un problema y la SNR de CC objetivo es superior a 85 dB, seleccionar el modo de integración digital ayuda a lograr la eficiencia energética.

aplicaciones PPG

A la luz de la pandemia de COVID-19, las aplicaciones de PPG son aún más importantes para el monitoreo de signos vitales y el diagnóstico de salud. Además, algunas métricas son necesarias para la detección. Por ejemplo, algunas medidas vitales incluyen señales de monitorización de la frecuencia cardíaca (HRM), HRV y saturación de oxígeno (SpO).₂), se puede medir por oximetría de pulso y presión arterial.

SpO2 óptica y no invasiva₂ La monitorización, también conocida como oximetría de pulso, es muy útil para detectar hipoxia en pacientes con COVID-19. La hipoxia, uno de los principales síntomas del COVID-19, es la falta de suministro de oxígeno a los tejidos del cuerpo. La hipoxia también puede provocar un aumento de la frecuencia cardíaca; por lo tanto, la monitorización óptica y no invasiva de la frecuencia cardíaca también es esencial para la detección.

La integración de múltiples capacidades de medición es óptima o incluso esencial para futuros dispositivos portátiles, lo que hace que el ADPD4100/ADPD4101 sea extremadamente ventajoso. Este AFE mide todo tipo de entradas de sensores (incluidas las mediciones de temperatura, ECG y respiración). Por lo tanto, se puede establecer una plataforma VSM multiparamétrica completa con un solo sensor AFE.

Pulsioximetría: medición de SpO2

La oximetría de pulso se realiza usando luces rojas (generalmente de 660 nm de longitud de onda) e infrarrojas (IR) (generalmente de 940 nm de longitud de onda). La hemoglobina desoxigenada absorbe más luz de longitud de onda de 660 nm, mientras que la hemoglobina oxigenada absorbe más luz de longitud de onda de 940 nm. El fotodiodo ve la luz sin absorción. Las señales recibidas luego se dividen en componentes de CC y CA. El componente DC muestra absorción de luz debido al tejido, sangre venosa y sangre arterial no pulsante. El componente ca representa sangre arterial pulsátil. CORREOS₂ entonces se calcula un porcentaje por:

% SpO2₂ = (CA_rojo/CORRIENTE CONTINUA_rojo)/(C.A_infrarrojos/CORRIENTE CONTINUA_infrarrojos)

Cualquier dos franjas horarias son posibles Configure ADPD4100/ADPD4101 para medir la respuesta a los LED rojos e IR para medir SpO₂. Los intervalos de tiempo restantes se pueden configurar para medir PPG desde diferentes longitudes de onda de LED y pueden admitir la medición de ECG, la detección de cables, la medición de la respiración y cualquier otra medición del sensor.

La figura 2 muestra las señales IR, verde y roja síncronas de PPG, y las partes de CA y CC de la señal IR como ejemplo.

Monitoreo de la frecuencia cardíaca

La monitorización de la frecuencia cardíaca también es fundamental para detectar el COVID-19. Cuando el suministro de oxígeno disminuye debido a la hipoxia, el corazón comienza a latir más rápido para suministrar suficiente oxígeno a los tejidos. La monitorización de la frecuencia cardíaca también es útil para detectar problemas cardíacos o realizar un seguimiento del comportamiento físico.

En general, se prefiere un LED verde con una longitud de onda de alrededor de 540 nm en el control de la frecuencia cardíaca. Produce la mejor señal PPG porque tiene un índice de modulación más alto que los LED rojos o IR. También proporciona un nivel razonable de CTR; por lo tanto, el consumo de energía no sería demasiado alto.

AC SNR es un parámetro de calidad de la señal y se puede calcular como el índice de modulación multiplicado por cc SNR. Por ejemplo, con un índice de modulación del 1 %, una SNR de CC de 95 dB se traduce en una SNR de CA de 55 dB.

medición de electrocardiograma

La medición de ECG se ha agregado a dispositivos portátiles, como relojes para controles puntuales y parches en el pecho para monitoreo continuo. Los electrodos hechos de metales y otros materiales conductores, que están polarizados y se conocen como electrodos secos, se encuentran comúnmente en dichos dispositivos. Los principales desafíos de la medición de ECG con electrodos secos son la alta impedancia de contacto entre el electrodo y la piel y la sobretensión relativamente alta.

Las soluciones de ECG convencionales basadas en amplificadores de instrumentación utilizan tampones para aliviar la alta impedancia de contacto entre el electrodo y la piel asociada con la atenuación de la señal. La técnica Straight Leg Drive (RLD), que requiere un tercer electrodo y devuelve un voltaje de referencia al cuerpo, se aplica para rechazar los voltajes de modo común que exponen el cuerpo humano, los electrodos y los cables en los sistemas de ECG que miden el voltaje.

Cuando se aplica a la medición de ECG, el ADPD4100/ADPD4101 adopta un nuevo enfoque mediante el uso de un circuito pasivo de condensador-resistencia (RC) para rastrear el voltaje diferencial a través de un par de electrodos. El circuito RC pasivo puede ser tan simple como tres componentes, dos resistencias R_S y condensador C_S, como se muestra en la Figura 3a. Este es un proceso de dos pasos para cada muestra de datos de ECG.

Ambos pines de entrada (IN_Siete y yo₈) flotan durante la fase de carga. Carga del condensador C_S proporcional al voltaje diferencial entre los dos electrodos si el tiempo de carga es >3τ donde τ es la constante de tiempo que define la R_S etc._Sτ=2R_Scontra_S. Durante la fase de transferencia de carga, el capacitor se conecta al TIA y la carga se transfiere al AFE para su medición. Esta solución de ECG basada en la medición de carga tiene varias ventajas, incluida la eliminación de amortiguadores y un tercer electrodo para RLD, una reducción en el tamaño del sistema debido a la menor cantidad de componentes externos y ahorro de energía.

Agregar detección de derivaciones a esta solución de ECG es conveniente con la flexibilidad de diseño del ADPD4100/ADPD4101 utilizando un enfoque de bioimpedancia. La figura 3a muestra el circuito del detector de derivación con impulsos de conducción a un electrodo y corriente de hundimiento a otro electrodo. Si uno o ambos electrodos se separan de la piel, el camino se interrumpe y no se obtiene corriente. La Figura 4 muestra el ECG y los trazos de corriente eléctrica recibidos para la detección de cables, donde el ECG se mide en el intervalo de tiempo A y la detección de cables en el intervalo de tiempo B.

En comparación con el circuito de resistencia pull-up para la detección de cables en las soluciones de ECG tradicionales, que afectan la impedancia de entrada del circuito de ECG, esta detección de cables basada en bioimpedancia en un intervalo de tiempo específico n no tiene efecto en la medición de ECG. Con este circuito acoplado a CC, el ECG se captura tan pronto como se restablece el contacto entre el electrodo y la piel.

Medición de la respiración basada en la impedancia

La medición de la respiración con ADPD4100/ADPD4101 detecta el cambio en la bioimpedancia pulmonar durante los ciclos de inspiración y espiración. La medición de la respiración para monitorear a los pacientes en la unidad de cuidados intensivos (UCI) y durante el sueño permite el manejo oportuno de los pacientes y las alarmas para salvar vidas. Es fundamental para pacientes con problemas respiratorios y apnea del sueño. La apnea del sueño por sí sola es una amenaza para la salud y la seguridad públicas y afecta a más de 25 millones de adultos en los Estados Unidos.¹

A medida que el paciente respira, el volumen del pulmón se expande y se contrae, provocando cambios en la impedancia del tórax. el cambio de impedancia se puede medir inyectando corriente en un camino a través del tórax y midiendo la caída de voltaje. La figura 5a muestra un diseño de referencia que utiliza dos electrodos para la medición de ECG y el control de la respiración. La figura 5b muestra un ECG registrado sincrónicamente, una forma de onda relacionada con la respiración y una PPG. El ECG y la respiración se midieron con electrodos secos de acero inoxidable en las muñecas izquierda y derecha y el PPG con un LED verde.

Resumen

El monitoreo de signos vitales ha aumentado su presencia en el mercado principal en forma de dispositivos portátiles inteligentes. La información de salud generada a través de dispositivos portátiles puede desempeñar un papel fundamental en la gestión de la salud y las enfermedades. Para satisfacer la demanda y hacer que estos dispositivos sean accesibles para una población mucho más amplia, los diseñadores deben considerar requisitos comunes como el costo, el tamaño y la potencia. Este revolucionario AFE de Analog Devices, el ADPD4100/ADPD4101, demuestra su gran ventaja como concentrador de monitoreo de señales críticas multiparámetro. El diseño único de AFE reduce la cantidad de circuitos integrados para los sistemas VSM multiparamétricos, lo que reduce significativamente el costo y el tamaño. Además, los sistemas de parámetros múltiples diseñados con ADPD4100/ADPD4101 generan datos sincrónicos y eliminan la carga de la sincronización de datos.

graneros

¹ "La creciente prevalencia de la apnea del sueño en los Estados Unidos plantea una amenaza para la salud pública.” Academia Estadounidense de Medicina del Sueño (AASM). septiembre de 2014.