Teknologian kehityksen myötä elintoimintojen seuranta yleistyy eri toimialoilla ja jokapäiväisessä elämässämme. Tällaiset terveyteen liittyvät ratkaisut vaativat luotettavaa ja vankkaa tekniikkaa. Analog Devicesin signaalinkäsittelyyn kehitettyjen tuotteiden laajasta valikoimasta elintoimintojen seurantajärjestelmien suunnittelijat löytävät joukon ratkaisuja eteen tuleviin haasteisiin.

Elintoimintojen seuranta on ulottunut lääketieteellisen seurannan ulkopuolelle ja monille jokapäiväisen elämämme alueille. Alun perin elintoimintojen seuranta tapahtui sairaaloissa ja klinikoilla tiukassa lääkärin valvonnassa. Mikroelektroniikan edistys on johtanut valvontajärjestelmien kustannusten alenemiseen, mikä tekee näistä teknologioista helpommin saavutettavia ja yleisempiä sellaisilla aloilla kuin etälääketiede, urheilu, kuntoilu ja hyvinvointi sekä työturvallisuus. Näin on käynyt myös autonomiseen ajamiseen keskittyvillä automarkkinoilla. Laajentumisesta huolimatta ja kun otetaan huomioon näiden sovellusten terveyteen liittyvä luonne, laatustandardit ovat edelleen korkeat.

Elintoiminnot

Elintoimintojen seurantaan kuuluu fysiologisten parametrien mittaaminen, jotka voivat antaa viitteitä henkilön terveydestä. Syke on yksi yleisimmistä parametreista, ja se voidaan havaita EKG:lla, joka mittaa sydämenlyöntitaajuutta ja ennen kaikkea sen vaihtelua. Muutokset sykkeessä perustuvat yleensä aktiivisuuteen. Unen tai levon aikana rytmi on hitaampi, mutta se yleensä kiihtyy fyysisen toiminnan, tunnereaktion, stressin tai ahdistuksen seurauksena.

Normaalin alueen ulkopuolella oleva syke voi olla merkki häiriöstä, kuten hidaslyöntisyydestä eli bradykardiasta tai takykardiasta, jolloin syke on liian korkea. Hengitys on toinen tärkeä elintärkeä merkki. Veren happitasoa voidaan mitata käyttämällä fotopletysmografiaa (SpO2) kutsuttua tekniikkaa. Huono hapetus voi liittyä sairauksien puhkeamiseen tai hengityselinten häiriöihin.

Muita tärkeitä elintoimintojen mittauksia, jotka voivat antaa viitteitä henkilön fyysisestä kunnosta, ovat verenpaine, kehon lämpötila ja ihon johtavuusvaste. Ihon johtavuusvaste, joka tunnetaan myös nimellä elektrodermaalinen vaste, liittyy läheisesti sympaattiseen hermostoon, joka puolestaan on suoraan osallisena tunnekäyttäytymisen säätelyssä. Ihon johtavuuden mittaaminen antaa viitteitä potilaan stressistä, väsymyksestä, henkisestä tilasta ja tunnereaktioista. Lisäksi kehon koostumuksen, vähärasvaisen massan ja rasvamassan prosenttiosuuksien sekä nesteytys- ja ravitsemusasteen mittaaminen antaa selkeät viitteet henkilön kliinisestä tilasta. Lopuksi liikkeen ja asennon mittaaminen voi tarjota hyödyllistä tietoa aktiivisuudesta.

Kuva 1. Optisten mittausten signaaliketju.

Elintoimintojen mittaamisen tekniikoita

Elintoimintojen, kuten sykkeen, hengityksen, verenpaineen ja lämpötilan, ihon johtavuuden ja kehon koostumuksen seurantaan tarvitaan erilaisia antureita. Ratkaisujen on oltava kompakteja, energiatehokkaita ja luotettavia. Elintoimintojen seuranta sisältää:

• - Optiset mittaukset
• - Biopotentiaalin mittaukset
• - Impedanssimittaukset
• - Mittaukset MEMS-antureilla

Kuva 2. Kattava biopotentiaalin ja bioimpedanssin mittauksen sisältävä biosähköinen järjestelmä.

Optiset mittaukset

Optiset mittaukset menevät tavallista puolijohdetekniikkaa pidemmälle. Tämäntyyppisten mittausten suorittamiseen tarvitaan optinen mittaustyökalupakki. Kuvassa 1 näkyy tyypillinen signaaliketju optisille mittauksille. Valonlähteitä (yleensä ledejä) tarvitaan tuottamaan valosignaali, joka voi koostua eri aallonpituuksista. Useiden aallonpituuksien yhdistelmä mahdollistaa suuremman mittaustarkkuuden. Myös sarja pii- tai germaniumantureita (fotodiodeja) tarvitaan muuttamaan optinen signaali sähköiseksi signaaliksi, joka tunnetaan myös nimellä valovirta.

Valodiodien tulee vastata valonlähteen aallonpituuteen riittävällä herkkyydellä ja lineaarisuudella. Tämän jälkeen valovirtaa on vahvistettava ja muunnettava, minkä vuoksi tarvitaan suorituskykyinen, energiatehokas, monikanavainen analoginen etuaste, joka pystyy ohjaamaan ledejä, vahvistamaan ja suodattamaan analogista signaalia ja suorittamaan analogia-digitaalimuunnoksen tarvittavalla resoluutiolla ja tarkkuudella.

Optisen järjestelmän koteloinnilla on myös keskeinen rooli. Kotelo ei ole vain elektroniikkaa varten, vaan myös järjestelmä, jossa on yksi tai useampi optinen ikkuna, joka voi suodattaa lähtevän ja tulevan valon ilman liiallista vaimennusta. Kotelo myös ehkäisee heijastuksia, jotka voivat vaarantaa signaalin eheyden. Kompaktin monisirujärjestelmän luomiseksi optisen järjestelmäkotelon tulee sisältää useita osia, mukaan lukien ledit, valodiodit sekä analogiset ja digitaaliset prosessointipiirit. Myös optisten suodattimien toteuttamisen mahdollistava pinnoitustekniikka on olennainen sovelluksen vaatiman spektrin osan valitsemiseksi ja ei-toivottujen signaalien poistamiseksi. Sovelluksen tulee toimia myös auringonvalossa. Jos optista suodatinta ei ole, signaalin voimakkuus voi kyllästää analogisen ketjun, mikä estää elektroniikkaa toimimasta kunnolla.

Analog Devices tarjoaa sarjan valodiodeja ja erilaisia analogiaetuasteita (analog front ends), jotka pystyvät käsittelemään valodiodeista vastaanotettua signaalia ja ohjaamaan ledejä. Saatavilla on myös kokonainen optinen järjestelmä, joka sisältää ledit, valodiodit ja etupäät yhdellä sirulla, kuten ADPD188GG-piiri osoittaa.

Biopotentiaalin ja bioimpedanssin mittaukset

Biopotentiaali on sähköinen signaali, joka syntyy kehomme sähkökemiallisen toiminnan vaikutuksesta. Esimerkkejä biopotentiaalin mittauksista ovat elektrokardiogrammi (EKG) ja elektroenkefalogrammi. Nämä mittaukset havaitsevat erittäin pienikokoiset signaalit taajuuskaistalla, jolla on useita häiriöitä. Tämän seurauksena signaali on vahvistettava ja suodatettava ennen käsittelyä. EKG-biopotentiaalimittauksia käytetään laajalti elintoimintojen monitoroinnissa, ja Analog Devices tarjoaa useita komponentteja tähän tehtävään, mukaan lukien AD8233, ADAS1000-perhe ja ADuCM3029.

Näistä piireistä AD8233 on suunniteltu puettaviin sovelluksiin, ja se voidaan yhdistää ADuCM3029:n kanssa, joka on Cortex-M3-ytimeen perustuva SoC-järjestelmäpiiri. Lisäksi ADAS1000-perhee, joka on suunniteltu vaativampiin sovelluksiin, on energiankulutukseltaan alhainen. Se sopii erityisen hyvin akkukäyttöisiin kannettaviin laitteisiin, ja sen tehonkulutus ja kohinaominaisuudet ovat skaalattavia (eli kohinatasoa voidaan vähentää virrankulutuksen kasvattamisen suhteessa). Tämä tekee piiristä erinomaisen integroidun ratkaisun EKG-järjestelmiin.

Bioimpedanssi on toinen mittaus, joka voi antaa meille hyödyllistä tietoa fyysisestä tilastamme. Impedanssimittaukset antavat tietoa elektrodermaalisesta aktiivisuudestamme, kehomme koostumuksesta ja nesteytystilastamme. Jokainen parametri vaatii erilaisen mittaustekniikan. Tarvittava elektrodien määrä ja niiden käyttökohdat voivat vaihdella käytetyn taajuusalueen mukaan.

Esimerkiksi ihon impedanssin mittauksessa käytetään matalia taajuuksia (200 Hz asti), kun taas kehon koostumuksen mittauksessa käytetään yleensä kiinteää 50 kHz:n taajuutta. Samoin vaihtelevia taajuuksia käytetään nesteytystarpeen mittaamiseen ja solunsisäisten ja solunulkoisten nesteiden oikeaan arvioimiseen.

Vaikka mittaustekniikat voivat vaihdella, yhtä ja samaa etuastetta (AD5940) voidaan käyttää kaikkiin bioimpedanssi- ja impedanssimittauksiin. Tämä piiri tarjoaa herätesignaalin ja täydellisen impedanssin mittausketjun. Erilaisia taajuuksia voidaan tuottaa useiden mittausvaatimusten täyttämiseksi. Lisäksi AD5940 on suunniteltu toimimaan AD8233:n kanssa kattavan bioimpedanssin ja biopotentiaalin lukujärjestelmän luomiseksi, kuten kuvassa 2 on esitetty. Muita impedanssin mittauslaitteita ovat ADuCM35x-sarjan SoC-ratkaisut, jotka erillisen analogisen etuasteen lisäksi sisältävät Cortex-M3-mikro-ohjaimen, muistin, HW-kiihdyttimiä ja oheislaitteita sähkökemiallisiin antureihin ja bioantureihin liittymiseen.

Liikkeen mittauksia MEMS-antureilla

Koska MEMS-anturit voivat havaita kiihtyvyyden, niitä voidaan käyttää havaitsemaan aktiivisuutta ja poikkeavuuksia, kuten epävakaata kävelyä, kaatumisia tai aivotärähdyksiä. Niillä voidaan jopa tarkkailla asentoa kohteen ollessa levossa. Lisäksi MEMS-antureita voidaan käyttää täydentämään optisia antureita, koska ne ovat alttiina liikeartefaktien aiheuttamille häiriöille. Kun näin tapahtuu, kiihtyvyysmittarin tietoja voidaan käyttää korjauksen tekemiseen. ADXL362 on yksi suosituimmista lääketieteen liikeantureista. Se on 3-akselinen kiihtyvyysanturi, jolla on markkinoiden pienin energiankulutus. Sille on ominaista digitaalinen lähtö ja ohjelmoitava mittausalue välillä 2-8 g.

Kuvat 3. ADPD4000 on tarkoitettu fotometriseen, biopotentiaalin, bioimpedanssin ja lämpötilan mittauksiin.

ADPD4000: Universaali analoginen etuaste

Tällä hetkellä markkinoilta löytyvissä puettavissa laitteissa, kuten älyrannerenkaissa ja älykelloissa, on erilaisia toimintoja elintoimintojen seurantaan. Yleisimpiä ovat sykemittarit, askelmittarit ja kalorilaskurit. Usein mitataan myös verenpainetta ja ruumiinlämpöä sekä elektrodermaalista aktiivisuutta, veren tilavuuden muutoksia (fotopletysmografian avulla) ja muita mittareita. Seurantavaihtoehtojen määrän kasvaessa tarve pitkälle integroiduille elektronisille komponenteille kasvaa. ADPD4000-piirissä on erittäin joustava arkkitehtuuri, ja se luotiin auttamaan suunnittelijoita vastaamaan tähän tarpeeseen. Se voi hallita fotometristä etuastetta ja ledejä, ja lukea valodiodeja biopotentiaalin ja bioimpedanssin lukemien lisäksi.

ADPD4000 on varustettu lämpötila-anturilla kompensointia varten ja kytkinmatriisilla, joka mahdollistaa tarvittavien lähtöjen ohjauksen ja signaalien vastaanottamisen joko yksipäisille (single ended) tai differentiaalisille jännitesignaaleille. Lähtö voidaan valita sen AD-muuntimen tulovaatimusten mukaan, johon ADPD4000 on kytketty. Laitteeseen voidaan ohjelmoida 12 eri aikakaistaa, joista jokainen on omistettu tietyn anturin käsittelyyn. Kuvassa 3 on yhteenveto ADPD4000:n tärkeimmistä ominaisuuksista muutamissa tyypillisissä sovelluksissa.