Puettavan teknologian ansiosta sydämen sykettä on helppo seurata, mistä on paljon etua kuntoilun, hyvinvoinnin ja lääketieteen sovelluksia kehitettäessä. Tässä artikkelissa perehdytään ihmisen sydämen sykkeen mittauksessa käytettäviin teknologioihin ja niiden teknisiin haasteisiin.

Sydämen syke antaa paljon tärkeää tietoa yksilön fyysisestä kunnosta. Syketieto on käyttökelpoista niin henkilökohtaisessa kunnonvalvonnassa, häiriötilojen kuten rytmihäiriöiden havaitsemisessa kuin sairaalan potilasvalvonnassa elintoimintojen tarkkailussa. Nykyajan langaton ja puettava teknologia mahdollistaa monipuolisen datan keräämisen kehon ulkopuolelta noninvasiivisesti, samanaikaisesti tapahtuvan kerätyn tiedon analyysin ja esittämisen sekä tallentamisen ja siirron myöhempää jatkoanalyysia varten.

Puettavan teknologian tuomia mahdollisuuksia

Kuntoa ja hyvinvointia edistämään pyrkivillä kuluttajamarkkinoilla sykemittauksen kehittyminen on avannut uusia markkinoita puettavalle teknologialle, kuten sykerannekkeille, älykelloille ja rinnan ympärille asennettaville sykevöille. Lääketieteen alalla noninvasiivista – kehoon kajoamatonta -sykemittausta käytetään monenlaisten ongelmien todentamisessa, kun esimerkiksi arvioidaan sydämen veren virtauksen laatua ja erilaisten riskien kuten sydänkohtauksen ja verisuonitukoksen todennäköisyyttä. Sairaalan osastoillakin hoitohenkilökunta voi käyttää sormeen puristettavia sykemittareita (sormipulssioksimetrejä) ja kannettavia analysaattoreita tavanomaisten havaintojen tekemiseen, kuten valtimon happisaturaation, hengitysnopeuden ja hydraatiotasojen mittaamisessa. Tyypillinen toteutus on esitetty kuvassa 1.

Kuva 1: Tyypillinen Maximin MAX86140- ja MAX86141-siruilla toteutettu sovelluspiiri.

Noninvasiivisten laitteiden ja puettavan teknologian laitteiden kysyntä on jatkuvassa kasvussa samalla kun kerättävän datan moninaisuus lisääntyy, mikä aiheuttaa merkittäviä teknologisia haasteita datankeräyksessä, signaalinkäsittelyssä ja prosessoinnissa. Erityisesti lääketieteen sovelluksissa mittausten pitää olla luotettavia, tarkkoja ja turvallisia.

Sykemittauksia tehdään pääasiassa kahdella menetelmällä. Toisessa havainnoidaan optisesti veren etenemistä pintasuonissa ja sen imeytymisessä ja heijastumisessa tapahtuvia muutoksia kunkin sykkeen aikana. Tämä tekniikka soveltuu myös veren happisaturaatiotason arvioimiseen (pulssioksimetria). Tekniikan suurimmat haasteet ovat tehonkulutuksessa, ympäröivän valon heijastumisessa ja ympäristön kohinan vaimennuksessa.

Toinen menetelmä, biopotentiaalin mittaus, perustuu jännitettä tunnistaviin elektrodeihin, joilla ilmaistaan sydänlihaskudoksessa syntyvää ja iholle siirtyvää sähköistä aktiviteettia. Syntyvästä datasta saadaan elektrokardiogrammi (EKG), joka antaa tietoa sydänterveydestä. Bioimpedanssimittauksella voidaan määrittää myös hengitysnopeutta ja suhteellista amplitudia. Suurimmat tekniset haasteet tässä menetelmässä ovat tehonkulutuksessa, liikkeen kompensaatiossa ja muiden häiriöiden kuten kohinan poistamisessa.

Optinen happisaturaation mittaus

Tuotekehittäjien käytettävissä on suuri määrä erityisiä sovelluskohtaisia optisia datankeräysjärjestelmiä, jotka soveltuvat sykemittareissa käytettäväksi. Esimerkiksi Maxim Integratedin MAX86140 ja MAX86141 on tarkoitettu optiseen sykkeen, veren happisaturaation ja lihaksen happisaturaation ilmaisuun mittareilla, jotka ovat kosketuksissa ranteeseen, sormeen, korvaan tai muuhun paikkaan (kuva 2).

Kuva 2: Maximin MAX0003 on kaksinapainen, differentiaalisella ja yhteismuotoisella suodatuksella varustettu ohjainpiiri.

Kun perustason optisessa sykemittarissa on yksittäinen valolähde, pulssioksimetrissä tarvitaan kaksi valolähdettä. Jos halutaan parempaa tarkkuutta ja monipuolisempia mittausominaisuuksia, on käytettävä useampia valolähteitä. MAX86140:ssa on yksi ja MAX86141:ssä kaksi optista kanavaa.

Lähetinpuolella kolmella ohjelmoitavalla suurivirtaisella led-ohjaimella voidaan syöttää enimmillään kuutta lediä. Kun kaksi ohjainpiiriä toimii isäntä-orja -tilassa (master-slave), voidaan led-ohjaimella ohjata enimmillään 12 lediä. Nämä komponentit ovat kestäviä ja erityisellä ympäristövaloa vaimentavalla (ALC) piirillä varustettuja, jolloin niitä voidaan käyttää, kun halutaan taata tarkkuus erityisenkirkkaassakin valaistuksessa. Järjestelmä mukautuu myös nopeisiin valaistustason muutoksiin. Valonsäteen pätkiintymistä tunnistavan ja korjaavan algoritmin ansiosta häiriölliset näytehavainnot korvautuvat ekstrapoloimalla saaduilla arvoilla.

Piirissä on myös 19-bittisellä sigma-delta-tyyppisellä AD-muuntimella varustettu vähäkohinainen signaalinkäsittelyn analogiatuloaste (AFE), jännitereferenssi ja lämpötila-anturi. AD-muuntimen lähdön datanopeus on ohjelmoitavissa 8 – 8192 näytteeseen sekunnissa. Piiri ei juurikaan tarvitse ulkoista elektroniikka. 128 sanan FIFO toimii sirun sisäisenä muistina digitaaliselle lähtödatalle ja mahdollistaa yhteydet mikro-ohjaimeen.

Monilla tehonsäästötoiminnoilla varustetut piirit toimivat 1,8 V jännitteellä sekä erillisillä 3,1 ja 5 V tehonsyötöillä led-ohjaimille. Ne on varustettu joustavalla ajastus- ja lepoaikojen kytkentämekanismilla sekä yksittäisten lohkojen ohjauksella, jolloin voidaan optimoida mittaukset pienille tehotasoille. Dynaamisesti tehoa alentava tila on käytettävissä pienille alle 128 näytettä sekunnissa oleville näytenopeuksille. Lähestymistilatoiminnolla voidaan pienentää tehonkulutusta, kun anturi ei vielä ole kosketuksessa ihoon.

Optinen ohjain voidaan konfiguroida erilaisille mittauksille. Yhden, kahden tai kolmen ledin ajurit voidaan pulssittaa peräkkäisiksi, jolloin mittaukset on mahdollista tehdä useilla aallonpituuksilla kuten pulssioksimetrillä pitääkin. Kun led-ajurit pulssitetaan samanaikaisiksi, sykemittaukset voidaan tehdä rannekkeella. Led-ajurin tasoa voidaan säätää siten, että esimerkiksi ympäristöstä aiheutuvien häiriösignaalien lisääntyneet kohinatasot saadaan kompensoitua.

Biopotentiaaliin perustuvat EKG-mittaukset

EKG:llä mitataan sykettä ja saadaan yksittäisistä sykesignaaleista yksityiskohtaista tietoa, jonka perusteella kardiologi voi tehdä omat johtopäätöksensä tutkittavan sydämen tilasta ja toiminnasta. Se antaa myös luotettavaa tietoa sykkeestä kuntosovelluksissa erityisesti silloin, jos käytetään sykevyötä. Biopotentiaalin mittaus vaatii tavallisesti merkittävästi vähemmän tehoa kuin saman tarkkuustason optiset anturit. Kuitenkin EKG-signaalien käsittely kuluttaa paristotehoa nopeasti. Lisäksi EKG-lukemat ovat varsin herkkiä liikkeen ja muiden häiriölähteiden aiheuttamille häiriöille. Etenkin kuntoilusovelluksissa liikkeen kompensoiminen on tärkeää ja liikkuminen on myös merkittävä kohinalähde.

Tämän tyyppisiin sovelluksiin tarkoitettuja piirejä on tarjolla. Maxim Integratedin MAX30003 on biopotentiaalin perustuva analogiatulopiiri puettavan teknologian sovelluksiin. Yksikanavainen piiri käsittää kliinisen tason EKG-analogiatuloasteen ja suuren resoluution AD-muuntimen, josta saadaan 15,5-bitin tehollinen resoluutio 5 V:n huipusta huippuun kohinalla. Lisäksi siinä on ESD-suojaus, EMI-suodatus, sisäinen esijännitys, DC-signaalitulon ilmaisu ja ohjelmallinen tehonlisäyksen jaksotus. Suuri tuloimpedanssi takaa pienen signaalivaimennuksen tulopäässä, kun tehonsyöttö kytketään päälle.

Liikkeen kompensointi ja liikkeestä aiheutuvien häiriösignaalien poistaminen aikaan saadaan, pitämällä analogiatulopiirin yhteismuotoinen vaimennussuhde (CMMR) mahdollisimman suurena. MAX30003:n tyypillinen CMMR on enimmillään 115 dB. Valintaisilla esijännitevastuksilla voidaan parantaa CMMR:ää ja edesauttaa suuren tuloimpedanssin aikaansaamista. Erilaisia ali- ja ylipäästösuodattimia on saatavissa rajoittamaan kaistaleveyttä, mikä on tärkeää staattisesta sähköstä ja suuritaajuisista signaaleista aiheutuvan kohinan vaimentamisessa. Kuntoilusovelluksissa yksitehoisen ylipäästösuotimen kynnystaajuudeksi asetetaan 5 Hz, kun taas kliinisessä käytössä se voi olla niinkin pieni kuin 0,5 – 0,05 Hz. Urheilusovelluksissa yhteismuotoinen alipäästösuotimenkynnystaajuus voidaan asettaa 34 hertsiksi, mikä on optimaalinen taso paidan tai muun vaatetuksen aikaansaaman kohinan rajoittamiseksi, kun mittaus käynnistetään.

Piirin tehonkulutus on 1,1 V tehonsyötöllä ainoastaan 85 µW, mikä mahdollistaa pitkän käyttöiän paristolle. Signaalitulon ilmaisu toimii varallaolon ja pidemmän lepotilan (70 nA) aikana. 32 sanan FIFO voi pitää sisällään enimmillään 32 EKG-datamuunnostulosta, jolloin isäntäprosessori voi olla pidemmän aikaa lepotilassa ja jolloin kulutetaan vähemmän tehoa. Vastaavasti mikro-ohjainyksikkö voidaan ohjelmoida olemaan käsittelemättä potentiaalista epärelevanttia dataa. Sisäänrakennettu algoritmi EKG:n kahden peräkkäisen R-huipun välisen ajan (R-R-intervallin) määrittämiseksi vähentää myös tehonkulutusta siten, että mikro-ohjainyksikkö kuluttaa virtaa vain 1 µA:n verrattuna 50 – 100 kertaiseen kulutukseen, jos R-R-intervallin muodostusta isännöisi mikro-ohjainyksikkö.

Maximilta on saatavissa suunnittelualusta edellä mainituilla piireillä toteutettavien puettavien terveys- ja kuntoilutuotteiden tuotekehitystä varten. MAXREFDES100# hSensor Platform (kuva ohessa) sisältää tarvittavat laitteistolohkot yhdellä painopiirilevyllä ja ARM mbed -pohjaisen ohjelmointikortin laitteistokehityspakettina. MAX30003:n lisäksi MAX30101:lla saadaan mukaan pulssioksimetrin toiminnot optisilla elementeillä ledeineen ja valoilmaisimineen yhdistettynä vähäkohinaiseen elektroniikkaan ympäristövalon vaimennuksella varustettuna. Saatavissa on myös kliinisen tason lämpötila-anturi MAX30205, kun suositeltuna teholohkona käytetään MAX14750-piiriä, josta saadaan useita lähtöjä mikro-ohjainyksikölle, analogiatulopiirille ja digitaaliliitäntäpiirille.