הקדמה
ניטור סמנים חיוניים התפשט מעבר לגבולות של הפרקטיקה הרפואית והגיע לתחומים רבים בחיי היומיום שלנו. מלכתחילה, ניטור סמנים חיוניים היה נהוג בבתי חולים ובמרפאות, כשהוא נתון תחת פיקוח רפואי קפדני. החידושים במיקרו אלקטרוניקה הובילו להפחתת הוצאות במערכות ניטור, ובכך הפכו את הטכנולוגיות בתחום הנדסת מערכות לנגישות ונפוצות יותר בתחומים שונים, בהם רפואה מרחוק (telemedicine), ספורט, כושר גופני, בריאות ובטיחות במקומות עבודה, וכן, בשוק כלי הרכב שהופך להיות יותר ויותר ממוקד בנהיגה אוטונומית. על אף התפשטות זו, ובהינתן המאפיין של יישומים אלו הקשור בבריאות, תקני האיכות נותרו גבוהים.
סמנים חיוניים
ניטור סמנים חיוניים כרוך במדידה של סדרת פרמטרים גופניים שיכולים להעיד על בריאותו של אדם. קצב לב הוא אחד הפרמטרים הנפוצים ביותר, ואפשר לאבחן אותו באמצעות בדיקת אלקטרו קרדיוגרמה, אשר מודדת את תדירות קצב הלב, ומעל הכל, את ההשתנות של הקצב. את השינויים בקצב הלב נוטים לבסס על פעילות. במהלך שינה או בזמן מנוחה, הקצב איטי יותר, אך הוא נוטה להיות מואץ בעקבות פעילות פיסית, תגובה רגשית, מתח או חרדה.
קצב לב שהוא מחוץ לטווח הרגיל, יכול להעיד על קיומה של הפרעה, למשל, ברדיקרדיה (כאשר קצב הלב איטי מדי) או טכיקרדיה (כאשר הוא מהיר מדי). נשימה היא סמן חיוני עיקרי נוסף. אפשר למדוד את רמת החמצון של הדם בעזרת טכניקה שנקראת פוטו פלסמוגרפיה (SpO2). חמצון גרוע יכול להיות משויך להתחלה של מחלות או הפרעות שמשפיעות במערכת הנשימה. מדידות סמנים חיוניים אחרים שיכולים לספק התוויות בנוגע למצב הפיסי של אדם הן לחץ דם, טמפרטורת הגוף ותגובת המוליכות החשמלית של העור. תגובת המוליכות החשמלית של העור, שנודעת גם בשם תגובה אלקטרו דרמלית, קשורה מקרוב למערכת העצבים הסימפתטית, אשר היא כרוכה קשורה באופן ישיר בשליטה על התנהגויות רגשיות. מדידה של מוליכות העור מספקת אינדיקציות בנוגע למתח, עייפות, מצב נפשי ותגובה רגשית של מטופל. בנוסף, מדידת הרכב הגוף, אחוזים של מסת גוף רזה ומסת גוף שמן, ורמת המים והתזונה בגוף מספקים התוויות ברורות לגבי המצב הרפואי של האדם. ואחרון, מדידה של תנועה ויציבה יכולה לספק לנו מידע שימושי לגבי הפעילות של הנבדק.
איור 1: שרשרת האותות למדידות אופטיות
טכנולוגיות למדידת סמנים חיוניים
על מנת לנטר סמנים חיוניים כגון קצב לב, נשימה, לחץ דם וטמפרטורה, המוליכות החשמלית של העור והרכב הגוף, יש צורך במגוון של חיישנים והפתרונות צריכים להיות קומפקטיים, בעלי נצילות אנרגיה ומהימנים. ניטור סמנים חיוניים כולל:
< מדידות אופטיות
< מדידות פוטנציאל גוף (Biopotential)
< מדידות עכבה (אימפדאנס)
< מדידות שמשתמשות בחיישני MEMS
איור 2: מערכת ביו חשמלית שלמה עם מדידה של פוטנציאל גוף ועכבת גוף
מדידות אופטיות
מדידות אופטיות מתפרשות הרבה מעבר לטכנולוגיית מוליכים למחצה סטנדרטית. על מנת לבצע סוג זה של מדידה, יש צורך בארגז כלים למדידות אופטיות. איור 1 מציג שרשרת אותות אופיינית עבור מדידות אופטיות. יש צורך במקורות אור (בדרך כלל נורות LED) כדי לחולל אות אור, שיכול להיות מבוסס על אורכי גל שונים. השילוב של כמה אורכי גל מאפשר קבלת דיוק רב יותר בתוצאת המדידה. סדרות של חישני סיליקון או גרמניום (פוטו דיודות) נדרשות אף הן כדי להעביר את האות האופטי לאות החשמלי, שנודע גם כזרם פוטוני. פוטו דיודות חייבות להגיב לאורך הגל של מקור האור עם מספיק רגישות וליניאריות. לכן, יש צורך להגביר את הזרם הפוטוני ולהמיר אותו, ומכאן הצורך בהתקן אנלוגי בריבוי ערוצים שעומד בחזית הטכנולוגיה, בעל ביצועים גבוהים ונצילות אנרגיה, שיכול לבקר את נורות ה- LED, להגביר ולסנן את האות האנלוגי ולבצע המרה מאנלוגי לספרתי, ברזולוציה ובדיוק הנדרשים.
גם לבחירת המארז של המערכת האופטית יש תפקיד מהותי וחשוב. המארז אינו רק מכל, אלא גם מערכת עם חלון אופטי אחד או יותר, שיכולים לסנן את האור היוצא והאור הנכנס, ללא תופעות מוגזמות של ניחות או החזרות, אשר עלולות לפגוע בשלמות האות. המארז של המערכת האופטית חייב גם להיות מותאם להתקנים מרובים, בהם נכללים נורות LED, פוטו דיודות ושבבים לעיבוד אנלוגי וספרתי, על מנת ליצור מערכת קומפקטית בריבוי שבבים. ולבסוף, טכנולוגיית ציפויים שמאפשרת את יצירת המסננים האופטיים, חיונית גם היא לבחירת חלק הספקטרום הנדרש ליישום ולביטול אותות בלתי רצויים. היישום חייב לפעול גם כאשר הוא חשוף לאור שמש. אם לא יהיה מסנן אופטי, עוצמת האות עלולה לגרום לרוויה של השרשרת האנלוגית ובכך, למנוע פעולה תקינה של המערכת האלקטרונית.
חברת Analog Devices מציעה משפחה של פוטו דיודות ומבחר התקנים אנלוגיים שעומדים בחזית הטכנולוגיה, בעלי יכולת עיבוד של האותות המתקבלים מפוטו דיודות ויכולת בקרה של נורות ה- LED. כמו כן אפשר לקבל מערכת אופטית שלמה, אשר משלבת נוריות LED, פוטו דיודות ויחידות מהשורה הראשונה אל תוך התקן יחיד, למשל, ה- ADPD1081.
מדידות של פוטנציאל גוף ומדידות של עכבת גוף
מדידת פוטנציאל גוף היא מדידה של אות חשמלי שנוצר מתוך השפעה של פעילות אלקטרו-כימית בגוף שלנו. דוגמאות למדידות של פוטנציאל גוף כוללות את בדיקת הלב – א.ק.ג. (אלקטרו-קרדיוגרמה – ECG) ובדיקת המוח – אלקטרו-אנצפלוגרמה (תצלום רנטגן של המוח). בדיקות אלו מגלות אותות בעוצמה נמוכה ביותר בפס תדרים, שבו קיימים כמה גורמים משבשים. כתוצאה מכך, חייבים להגביר את האות ולסנן אותו לפני שמעבירים אותו לשלב העיבוד. מדידות א.ק.ג. של פוטנציאל גוף משמשות לרוב בניטור סמנים חיוניים, וחברת Analog Devices מציעה כמה רכיבים למשימה זו, לרבות ה- AD8233, משפחת השבבים ADAS1000 וה- ADuCM3029.
ה- AD8233 מתוכנן לשמש ביישומים לבישים וניתן לשלב אותו עם ADuCM3029, שהיא מערכת על שבב (SoC) שמבוססת על טכנולוגיית Cortex®-M3, על מנת ליצור מערכת שלמה. בנוסף, משפחת ה- ADAS1000, שמתוכננת עבור יישומים מהשורה הראשונה לביצועים גבוהים יותר, מאופיינת בצריכת אנרגיה נמוכה. היא מתאימה במיוחד להתקנים ניידים שמופעלים בסוללות, והיא ניתנת לשדרוג במונחים של הספק ורעש (כלומר, אפשר להקטין את רמת הרעש עם גידול יחסי של צריכת הספק), עובדה שהופכת אותה לפתרון משולב מעולה עבור מערכות א.ק.ג..
מדידת של עכבת גוף היא מדידה נוספת שיכולה לספק לנו מידע שימושי לגבי המצב הגופני שלנו. מדידות עכבה מספקות מידע לגבי הפעילות החשמלית של העור שלנו, ההרכב של הגוף שלנו ועל מצב רמת המים שלנו. לכל אחד מהפרמטרים האלו יש צורך בטכניקת מדידה שונה. מספר האלקטרודות הנדרש עבור כל אחת, והנקודה שבה הם מיושמים, יכולים להשתנות במקביל לטווח התדרים שבו משתמשים.
לדוגמה, בתדרים נמוכים (עד 200 הרץ) משתמשים כאשר מודדים את העכבה של העור, ואילו עבור הרכב של גוף האדם, משתמשים בדרך כלל, בתוספת של 50 קילו-הרץ. באופן דומה, תדירויות משתנות משמשות למדידה של רמת המים ולהערכה נכונה של הנוזלים התוך תאיים והנוזלים החוץ תאיים.
על אף שהטכניקות יכולות להיות שונות, אפשר להשתמש ביישום קצה יחיד, ה- AD5940 – עבור כל המדידות עכבות הגוף ומדידות העכבה. ההתקן מספק את אות העירור ואת שרשרת מדידת העכבות השלמה. אפשר לחולל תדרים שונים כדי לעמוד בדרישות של מדידות מרובות. בנוסף, ה- AD5940 מתוכנן כדי לפעול עם ה- AD8233 על מנת לייצר מערכת שלמה שקוראת מדידות של עכבת גוף ושל פוטנציאל גוף, כפי שאפשר לראות באיור 2. התקנים אחרים למדידת עכבות כוללים את המשפחה ADuCM35x של פתרונות SoC, אשר בנוסף ליישום המתקדם האנלוגי הייעודי, הם מציעים בקר מיקרו Cortex-M3, זיכרון, מאיצים בחומרה והתקנים היקפיים לתקשורת עבור חיישנים אלקטרו כימיים וחיישנים ביולוגיים.
מדידות תנועה בעזרת שימוש בחיישני MEMS
מאחר שחיישני MEMS יכולים לגלות תאוצת כבידה, אפשר להשתמש בהם כדי לגלות פעילויות וחריגות כגון הליכה לא יציבה, נפילה או פגיעת ראש, או אפילו לנטר מחוות כאשר נבדק נמצא במנוחה. בנוסף, אפשר להשתמש בחיישני MEMS כתוספת לחיישנים אופטיים, מאחר שהם נתונים לתופעות מדומות (ארטיפאקט) של תנועה. כאשר אלו מתרחשות, אפשר להשתמש במידע המגיע ממד התאוצה בשלושה ממדים, כדי לעשות תיקון. ה- ADXL362 הוא אחד ההתקנים המקובלים ביותר בתחום הרפואה והוא מד התאוצה התלת צירי, בעל צריכת האנרגיה הנמוכה ביותר שקיים בשוק. הוא מאופיין בטווח מדידה ניתן לתכנות, מ- 2g עד 8g ובעל יציאה ספרתית.
איור 3: ADPD4000 מיועד למדידות פוטו מטריות, מדידותשל פוטניאל גוף, מדידות של עכבת גוף ומדידות טמפרטורה.
ADPD4000: יישום אנלוגי אוניברסאלי מהשורה הראשונה
כיום קיימים בשוק התקנים לבישים, כגון צמידים חכמים ושעונים חכמים, עם פונקציות שונות לניטור סמנים חיוניים. בין הנפוצים ביותר הם התקנים לניטור קצב לב, פדומטר (מודדי צעד) ומוני קלוריות. הערכים של לחץ דם וטמפרטורת גוף, גם הם נמדדים לעתים קרובות, במקביל לפעילות חשמלית של העור, שינויים בנפח דם (באמצעות פוטו – פלסמוגרפיה), ומדדים נוספים אחרים. ככל שמספר אפשרויות הניטור גדל, כך מתרחב גם הצורך ברכיבים אלקטרוניים משולבים ברמה גבוהה. ה- ADPD4000 מאופיין בארכיטקטורה גמישה במיוחד והוא נוצר על מנת לעזור למתכננים לענות על דרישות אלו. הוא יכול לנהל יישום פוטו מטרי מתקדם, נוריות LED לבקרה ולקרוא תוצאות של פוטו דיודות בנוסף לקריאות של תוצאות מדידה של פוטנציאל גוף ושל עכבת גוף, שהוא מספק. הרכיב ADPD4000 מצויד בחיישן טמפרטורה לצורך פיצוי ומטריצת מתגים, אשר מאפשרת לנתב את התוצאות הנדרשות ולבצע הרכשה של האותות, בין אם עבור אותות מתח מיוחסים (בקצה יחיד) או אותות מתח הפרשיים. אפשר לבצע בחירה של המוצא ולקבוע אותו באופן מיוחס או הפרשי, תלוי בדרישות הכניסה של ממיר ADC שאליו ה- ADPD4000 מחובר. את ההתקן אפשר לתכנת ל- 12 רצועות זמן שונות, כל אחת תהיה ייעודית לעיבוד חיישן מסוים. איור 3 מסכם את המאפיינים העיקריים של ADPD4000 בכמה יישומים אופייניים.
מסקנות
בזכות החידושים בטכנולוגיה, ניטור סמנים חיוניים יהפוך להיות נפוץ יותר ויותר בתעשיות שונות ובחיים היומיומיים שלנו. בין אם הם ישמשו לטיפול או למניעה, לפתרונות האלו הקשורים בבריאות, יש צורך בטכנולוגיה אמינה וקשיחה. בתיק המוצרים הנרחב של מוצרי Analog Devices המיועדים לעיבוד אותות, המתכננים של מערכות לניטור סמנים חיוניים ימצאו טווח שלם של פתרונות עבור אותם אתגרי תכנון שבהם הם נתקלים.
אודות המחבר
קוסימו קריירו הצטרף לחברת Analog Devices בשנת 2006 כמהנדס יישומים שמספק תמיכה טכנית ללקוחות אסטרטגיים ולקוחות מפתח. יש לו תואר MA בפיסיקה מאוניברסיטת degli Studi במילאנו. ניסיונו קודם לכן כולל הגדרה ופיתוח מכשור לניסויים בפיסיקה גרעינית, בשיתוף פעולה עם חברות קטנות, ופיתוח חיישנים ומערכות עבור אוטומציית מפעלים במכון הלאומי של איטליה לפיסיקה גרעינית וב- Thales Alenia Space כמהנדס תכנון בכיר למערכות ניהול חשמל בלוויינים. ניתן ליצור עמו קשר בכתובת: cosimo.carriero@analog.com
