Moni fyysisen kunnon ja terveyden seurantaan tarkoitettu laite sisältää erilaisia elintoimintojen mittauksia, mutta niiden tarkkuus ja luotettavuus eivät täytä terveydenhoidon ammattilaisten vaatimuksia. Pitkälle integroidun AFE-piirin avulla voidaan kuitenkin rakentaa jopa iholle kiinnitettävän tarralapun muotoon mittausjärjestelmä, joka hoitaa kaikki tärkeät elintoimintojen mittaukset kliinisellä tasolla.

Lääketieteen ammattilaiset ovat jo pitkään ymmärtäneet fysiologisten elintoimintojen merkityksen ihmisen terveydentilan indikaattoreina, mutta COVID-19-pandemia on lisännyt myös suuren yleisön tietoisuutta niiden merkityksestä. Valitettavasti useimmat ihmiset, jotka joutuvat jatkuvaan elintoimintojen seurantaan, ovat todennäköisesti jo hoidettavana kliinisessä ympäristössä akuutin sairauden vuoksi.

Sen sijaan, että elintoimintoja käytettäisiin ilmaisemaan vain sairauden hoitamisen tehokkuutta ja toipumisen edistymistä, tulevaisuuden terveydenhoidon mallina on käyttää jatkuvaa elintoimintojen etäseurantaa. Tällainen seurantaväline kykenee tunnistamaan mahdolliset indikaatiot sairauden alkamisesta, jolloin sen etenemiseen voidaan puuttua kliinisesti mahdollisimman pian ennen vakavan sairauden kehittymistä. On arvioitu, että kliinisen tason anturien yhä lisääntyvä integrointi antaa lopulta mahdollisuuden kehittää elintoimintojen seurantaan iholle kiinnitettäviä kertakäyttöisiä ’terveyslaastareita’, jotka vaihdetaan ja hävitetään säännöllisesti, kuten piilolinssit.

Kuva 1. Hoitaja dokumentoi sairaalapotilaan elintoimintoja (kuva: Shutterstock).

Vaikka monet kuntoilun ja terveydentilan seurantaan tarkoitetut puettavat laitteet sisältävät jo elintoimintojen mittaustoimintoja, niiden antamien lukemien tarkkuus ja luotettavuus voivat olla kyseenalaisia useista eri syistä. Näitä ovat esimerkiksi laitteessa käytettävien anturien laatu (useimmat eivät ole kliinisen luokan antureita), niiden sijoituskohta kehossa ja kehokosketuksen laatu käytön aikana.

Vaikka nämä laitteet riittävät tyydyttämään muiden kuin terveydenhoidon ammattilaisten toiveet tehdä satunnaista itsehavainnointia käyttämällä yhtä kätevää ja mukavaa puettavaa laitetta, ne eivät suorituskyvyltään ja tarkkuudeltaan täytä standardeja, joita koulutetut lääketieteen ammattilaiset vaativat arvioidessaan asianmukaisesti henkilön terveydentilaa ja tehdessään harkittuja diagnooseja. Toisaalta laitteet, joita tällä hetkellä käytetään pitkäaikaisesti elintoimintojen kliinisen tason tarkkailuun, voivat olla hyvin kookkaita ja hankalasti käytettäviä sekä siirrettävyydeltään vaihtelevia.

Seuraavassa suunnitteluratkaisussa keskitytään neljään kliinisesti tärkeään elintoimintomittaukseen: veren happisaturaatio (SpO₂), syke (HR), elektrokardiogrammi (EKG) ja hengitystiheys (RR). Lisäksi tarkastellaan eri anturityyppien mahdollisuuksia antaa kliinisen tason lukemia kullekin mittaukselle.

Samalla käydään läpi nykyisten mittausratkaisujen puutteita ja lopuksi esitellään erittäin pitkälle integroitu terveydenhoidon antureille tarkoitettu analoginen etuastepiiri (AFE). Se yhdistää kolmen eri bioanturin toiminnot yhdeksi paketiksi, jonka avulla on mahdollista viedä elintoimintojen mittaus entistä lähemmäksi puettavaa, kertakäyttöistä ’terveyslaastaria’.

Veren happisaturaatio

Terveellä henkilöllä veren happisaturaatiotaso on tyypillisesti 95-100 %. Alle 93 prosentin lukemat saattavat jo osoittaa, että henkilöllä on hengitysvaikeuksia. Tämä taas on esimerkiksi koronapotilailla yleinen oire, joten kyseessä on lääketieteen ammattilaisille tärkeä elintoiminnon mittaus, jota tulee seurata säännöllisesti.

Fotopletysmografia (engl. PPG, photoplethysmography) on optinen mittaustekniikka, joka hyödyntää useita LED-lähettimiä valaisemaan ihonpinnan alla olevia verisuonia sekä fotodiodivastaanottimia havaitsemaan heijastunutta valosignaalia. Tämä mahdollistaa SpO₂-lukeman laskemisen mittaustulosten perusteella.

Vaikka PPG-mittauksesta on tullut yleinen ominaisuus monissa rannekelaitteissa, PPG-valosignaalit ovat alttiita häiriöille, jotka aiheutuvat liikeartefakteista ja ympäristön valaistuksen ohimenevistä vaihteluista. Nämä häiriöt voivat aiheuttaa virheellisiä mittauslukemia, joten tällaiset laitteet eivät sovellu kliinisen tason mittauksiin.

Kliinisessä ympäristössä veren happisaturaatio mitataan sormenpäähän kiinnitettävällä pulssioksimetrillä (kuva 2), joka on yleensä jatkuvasti kiinni paikallaan olevan potilaan sormessa. Vaikka akkukäyttöisiä kannettavia laitteita on olemassa, ne ovat käytännöllisiä ainoastaan ajoittaisten mittausten tekemiseen.

Kuva 2. Sormeen kiinnitettävä pulssioksimetri mittaa veren happisaturaatiotason eli SpO₂-lukeman (kuva: Shutterstock).

Syke ja EKG

Terveen sydämen sykelukeman katsotaan yleensä olevan 60-100 lyöntiä minuutissa, mutta lyöntien välinen aika ei ole vakio. Tätä sykevälivaihtelua kutsutaan usein HRV-arvoksi (Heart Rate Variability). Tästä syystä syke määritellään useiden lyöntijaksojen aikana mitatuksi keskiarvoksi.

Terveellä henkilöllä mitattu sykelukema ja sydämen lyöntitiheys ovat lähes identtiset, koska verta pumpataan eri puolille kehoa sydänlihaksen jokaisella supistuksella. Jotkut vakavat sydänsairaudet voivat kuitenkin aiheuttaa poikkeamia pulssiin ja sykelukemaan. Esimerkiksi sydämen rytmihäiriöissä, kuten eteisvärinässä (Afib), jokainen sydämen lihassupistus ei pumppaa verta ympäri kehoa. Sen sijaan verta voi kertyä itse sydämen kammioihin, mikä voi olla hengenvaarallinen tilanne.

Eteisvärinää voi olla vaikea havaita, koska sitä esiintyy joskus ajoittain ja vain lyhyinä ohimenevinä jaksoina vaihtelevin väliajoin. Tämän sairauden havaitsemisen ja hoitamisen tärkeydestä kertoo se, että WHO:n mukaan neljäsosa yli 40-vuotiaiden aivohalvauksista on seurausta eteisvärinästä. Koska PPG-anturit tekevät optisia mittauksia olettaen, että sydämen todellinen lyöntitiheys ja sykelukema ovat identtiset, niihin ei voida luottaa eteisvärinän havaitsemisessa. Siihen vaaditaan sydämen sähköisen toiminnan jatkuvaa tallentamista pitkän mittausjakson aikana.

Sydämen sähköisen signaalin graafista esitystapaa kutsutaan elektrokardiogrammiksi (EKG). Holter-monitori (kuva 3) on yleisin kliinisen luokan kannettava laite tähän tarkoitukseen. Vaikka siinä hyödynnetään vähemmän elektrodeja kuin kliinisissä olosuhteissa käytettävissä EKG-monitoreissa, sen käyttäminen voi kuitenkin olla hankalaa ja epämiellyttävää varsinkin nukkuessa.

Kuva 3. Holter-monitori on tarkoitettu jatkuvaan EKG-seurantaan (kuva: Shutterstock).

Hengitystiheys

Useimpien terveiden ihmisten odotettu hengitystiheys eli RR-lukema on 12-20 hengitystä minuutissa. Yli 30:n noussut lukema voi olla merkkinä kuumeen tai muun syyn aiheuttamasta hengitysvaikeudesta. Vaikka jotkin puettavat laiteratkaisut päättelevät hengitystiheyden kiihtyvyysanturin tai PPG-tekniikan avulla, kliinisen luokan RR-mittaus suoritetaan joko käyttämällä EKG-signaalin sisältämää informaatiota tai hyödyntämällä bioimpedanssianturia (BioZ), joka mittaa ihon sähköistä impedanssia kahdella tai useammalla tarraelektrodilla, jotka on kiinnitetty potilaan kehoon.

Vaikka Yhdysvaltain elintarvike- ja lääkevirasto FDA:n hyväksymät EKG-toiminnot ovat tarjolla joissakin huipputasoisissa fyysisen kunnon ja terveydentilan seurantalaitteissa, bioimpedanssin mittausta ei yleensä tarjota, koska se vaatii erillisen BioZ-anturipiirin. Hengitystiheyden lisäksi BioZ-anturit mahdollistavat myös biosähköisen impedanssianalyysin (BIA) ja impedanssispektroskopian (BIS), joita kumpaakin voidaan käyttää mittaamaan kehon lihasmassaa sekä rasva- ja nestepitoisuuden tasoja. BioZ-anturia voidaan käyttää myös impedanssi-kardiografiassa (ICG) sekä mittaamaan galvaanista ihovastetta (GSR), joka voi olla hyödyllinen suure stressin indikaattorina.

Kolme anturia yhdellä piirillä

Kuvassa 4 nähdään toiminnallinen lohkokaavio elintoimintoja kliinisellä tasolla mittaavasta AFE-piiristä. Tämä integroitu piiri yhdistää kolmen erillisen anturin (PPG, EKG ja BioZ) toiminnot yhdeksi paketiksi.

Kuva 4: Erittäin niukasti tehoa kuluttava AFE-piiri MAX86178 on suunniteltu elintoimintojen kliinisen tason mittauksiin kolmella eri anturilla (kuva: Analog Devices).

Piirin kaksikanavainen optinen PPG-datankeruujärjestelmä tukee jopa kuutta LED-lähetintä ja neljää fotodiodituloa. Lähettimet voidaan ohjelmoida kahdella suurivirtaisella 8 bitin LED-ohjaimella. Vastaanottopolulla on kaksi vähäkohinaista korkean resoluution lukukanavaa, joilla kummallakin on omat 20-bittiset AD-muuntimet ja valonvaimennuspiirit, jotka tarjoavat yli 90 dB vaimennuksen ympäristövalolle 120 Hz taajuudella. PPG-kanavalla on jopa 113 desibelin S/N-suhde, joka tukee SpO2-mittauksia vain 16 mikroampeerin virralla.

EKG-kanava on täydellinen signaaliketju, joka tarjoaa kaikki kriittiset ominaisuudet, joita tarvitaan korkealaatuisen EKG-datan keräämiseen: joustava vahvistus, kriittinen suodatus, alhainen kohina, korkea tuloimpedanssi ja useita mittausjohtojen biasoinnin vaihtoehtoja. Lisäksi nopea elpyminen, AC- ja DC-pohjainen liitäntöjen tarkistus, erittäin niukasti tehoa vaativa mittausjohtojen tunnistus sekä oikean jalan käyttömahdollisuus mittauksessa takaavat kestävän toiminnan vaativissa sovelluksissa esimerkiksi rannekelaitteissa, joissa on kuivat elektrodit. Analoginen signaaliketju ohjaa 18-bittistä sigma-delta AD-muunninta, joka voi toimia useilla käyttäjän valitsemilla näytenopeuksilla.

BioZ-vastaanottokanavassa on EMI-suodatus ja kattavat kalibrointiominaisuudet. Kanavalla on myös korkea tuloimpedanssi, alhainen kohina, ohjelmoitava vahvistus, ali- ja ylipäästösuotimet sekä korkean resoluution AD-muunnin. Tuloherätteen generoimiseen on useita toimintamuotoja: tasapainotettu kanttiaalto virtalähde/-nielu, sinimuotoinen virta sekä kantti- ja sinimuotoiset jänniteherätteet. Jänniteherätteen suuruudelle ja taajuudelle on valittavissa laaja valikoima eri arvoja. Mittaus tukee myös BIA-, BIS-, ICG- ja GSR-sovelluksia.

FIFO-ajoitusdata mahdollistaa kaikkien kolmen anturikanavan synkronoinnin keskenään. Tämä pitkälle integroitu AFE-piiri on saatavissa 49-nystyisessä (7 x 7) WLP-kotelossa (wafer-level package), jonka mitat ovat vain 2,6 x 2,8 mm. Näin se sopii erinomaisesti esimerkiksi rintakehälle tarralappuna kiinnitettävän kliinisen mittauslaitteen perustaksi (kuva 5).

Kuva 5. Rintakehälle kiinnitettävä mittari, jossa on kaksi märkää elektrodia. AFE-piiri tukee useita mittauksia: BIA sekä jatkuva RR/ICG, EKG ja SpO₂. (kuva: Analog Devices).

Kuva 6 havainnollistaa, kuinka tämän AFE-piirin pohjalta voidaan suunnitella rannekemallinen mittari, joka tarjoaa kaikki tärkeimmät mittaukset: BIA sekä EKG jatkuvalla syke-, SpO₂- ja EDA/GSR-mittauksella.

Kuva 6. Ranteessa pidettävä mittauslaite, jossa on neljä kuivaa elektrodia. Se tarjoaa kaikki tärkeimmät mittaukset: BIA sekä EKG jatkuvalla syke-, SpO₂- ja EDA/GSR-mittauksella (kuva: Analog Devices).

Tavoitteena jatkuva seuranta

Veren happisaturaatio, syke, elektrokardiogrammi ja hengitystiheys ovat tärkeitä elintoimintojen mittauksia, joita terveydenhoidon ammattilaiset käyttävät diagnostisiin tarkoituksiin. Jatkuva elintoimintojen seuranta puettavien laitteiden avulla on tulevaisuuden terveydenhoitomallin keskeinen osa, jolloin sairauden puhkeaminen voidaan ennakoida jo ennen oireiden kehittymistä.

Terveydenhoidon ammattilaiset eivät voi käyttää tällä hetkellä kuluttajille tarjottavien elintoimintomonitorien tuottamia mittauksia, koska niissä käytetään antureita, jotka eivät täytä kliinisen tason laatuvaatimuksia. Monilla laitteilla ei taas yksinkertaisesti ole kykyä mitata tarkasti hengitystiheyttä, koska ne eivät sisällä BioZ-anturia.

Tässä kuvatussa ratkaisumallissa pohjana on mikropiiri, joka yhdistää kolme kliinisen luokan anturia (PPG, EKG, BioZ) yhdeksi paketiksi. Edellä on myös esitetty, kuinka piirin avulla voidaan suunnitella rintakehällä tai ranteessa käytettävä laite, joka tarjoaa perusmittausten (SpO₂, HR, EKG, RR) ohella tärkeät terveydentilan lisäanalyysit BIA, BIS, GSR ja ICG. Kliinisen tason puettavien laitteiden lisäksi tämä AFE-piiri on ihanteellinen integroitavaksi myös älyvaatteisiin antamaan tärkeää informaatiota elintoiminnoista esimerkiksi huippu-urheilijoille.