Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Elektroda.pl
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Monitorowanie warunkowe ludzkiego ciała

ghost666 06 Sie 2020 10:24 1275 0
  • Monitorowanie warunkowe ludzkiego ciała
    Monitorowanie parametrów życiowych człowieka wykracza obecnie poza granice praktyki lekarskiej i obejmuje coraz więcej dziedzin naszego codziennego życia.

    Pierwotnie monitorowanie parametrów życiowych realizowano w szpitalach czy klinikach pod ścisłym nadzorem lekarza. Postępy w mikroelektronice doprowadziły jednakże do obniżenia kosztów systemów monitorowania, czyniąc technologie te bardziej dostępnymi i powszechnymi w takich obszarach jak telemedycyna, sport, fitness czy samopoczucie oraz bezpieczeństwo w miejscu pracy, a także na rynku motoryzacyjnym, który coraz bardziej koncentruje się na autonomicznej jeździe. Pomimo tego rozwoju i biorąc pod uwagę zdrowotny charakter tych zastosowań, standardy jakości i wymagań co do tych urządzeń pozostają wysokie.

    Wraz z postępem technologicznym, monitorowanie parametrów życiowych będzie coraz bardziej powszechne w różnych branżach i w naszym codziennym życiu. Niezależnie od tego, czy jest to element leczenia, diagnostyki chorób czy profilaktyki, takie rozwiązania wymagają niezawodnej i sprawdzonej technologii.

    Parametry życiowe

    Monitorowanie parametrów życiowych obejmuje pomiar szeregu parametrów fizjologicznych, które mogą pozwalać monitorować stan zdrowia badanej osoby. Częstość akcji serca jest jednym z najczęstszych parametrów i można ją zmierzyć za pomocą elektrokardiogramu, który mierzy m.in. częstotliwość bicia serca i przede wszystkim zmiany charakteru jego pracy. Zmiany tętna są zwykle skorelowane z aktywnością. Podczas snu lub odpoczynku rytm jest wolniejszy, ale ma tendencję do wzrostu w następstwie aktywności fizycznej, reakcji emocjonalnej, stresu lub niepokoju. Częstość akcji serca wykraczająca poza normalny zakres może wskazywać na obecność zaburzenia, takiego jak bradykardia (gdy tętno jest zbyt niskie) lub tachykardia (gdy jest za wysokie).

    Oddychanie to kolejny kluczowy parametr życiowy. Poziom natlenienia krwi (nasycenia jej tlenem) można zmierzyć, np. za pomocą techniki zwanej fotopletyzmografią (SpO2). Słabe natlenienie może być związane z pojawieniem się chorób lub zaburzeń układu oddechowego. Inne pomiary parametrów życiowych, które mogą dostarczyć wskazówek dotyczących stanu fizycznego osoby, to pomiar ciśnienia krwi, temperatury ciała, a także przewodnictwa skóry. Odpowiedź przewodnictwa skóry, znana również jako reakcja elektrodermalna, jest ściśle związana ze współczulnym układem nerwowym, który z kolei jest bezpośrednio zaangażowany w regulację zachowań emocjonalnych. Pomiar przewodnictwa skórnego dostarcza wskazówek co do poziomu stresu, zmęczenia, stanu psychicznego czy reakcji emocjonalnej pacjenta. Ponadto pomiar składu ciała - procentowej zawartości beztłuszczowej masy ciała i masy tłuszczowej oraz stopnia nawodnienia i odżywienia dostarcza jasnych wskazówek co do stanu klinicznego danej osoby. Wreszcie, pomiary dynamiczne ruchu i postawy ciała mogą dostarczyć przydatnych informacji na temat aktywności monitorowanej osoby.

    Technologie pomiaru parametrów życiowych

    Aby monitorować parametry życiowe, takie jak tętno, oddech, ciśnienie krwi i temperatura, przewodnictwo skóry i skład ciała, potrzebne są różne czujniki, a rozwiązania je wykorzystujące muszą być kompaktowe, energooszczędne i niezawodne. Monitorowanie parametrów życiowych obejmuje:

    * Pomiary optyczne,
    * Pomiary biopotencjałów elektrycznych,
    * Pomiary impedancji,
    * Pomiary z użyciem czujników MEMS.

    Monitorowanie warunkowe ludzkiego ciała
    Rys.1. Typowy system optycznego
    monitorowania parametrów życiowych.
    Pomiary optyczne

    Pomiary optyczne wykraczają poza standardową technologię półprzewodnikową. Do wykonania tego rodzaju pomiaru niezbędny jest zestaw optycznych narzędzi pomiarowych. Rysunek 1 przedstawia typowy łańcuch sygnałowy dla pomiarów optycznych. Do generowania sygnału świetlnego, który może mieć różne długości fal, potrzebne są źródła światła (zazwyczaj są to diody LED lub diody laserowe). Połączenie kilku długości fal zapewnia większą precyzję pomiaru. Wymagana jest również seria czujników - krzemowych lub germanowych – fotodiod lub fototranzystorów, aby przekształcić sygnał optyczny w sygnał elektryczny. Fotodiody muszą reagować na długość fali źródła światła z dostateczną czułością i odpowiednią szybkością. Fotoprąd musi następnie zostać wzmocniony i przekształcony w użyteczne informacje. Stąd potrzeba wydajnego, energooszczędnego i wielokanałowego analogowego front-endu, który może sterować m.in. diodami LED, a także wzmacniać i filtrować sygnał analogowy oraz finalnie przeprowadzać konwersję analogowo-cyfrową z wymaganą rozdzielczością i precyzją.

    Obudowa układu optycznego również odgrywa fundamentalną rolę. Obudowa to nie tylko ochrona struktury krzemowej, ale także system z jednym lub więcej okienkami dla światła, które mogą m.in. filtrować wychodzące i przychodzące promieniowanie elektromagnetyczne, bez nadmiernego tłumienia lub odbić, które mogłyby zagrozić integralności sygnału optycznego. Wewnątrz obudowy tego rodzaju musi mieścić się wiele urządzeń, w tym diody LED, fotodiody oraz analogowe i cyfrowe układy przetwarzania sygnałów. Nie bez znaczenia jest także technologia optyczna, która służy między innymi do wytwarzania warstw filtrów na okienkach optycznych – są one niezbędne do wybierania części widma wymaganej dla danej aplikacji i eliminowania niepożądanych sygnałów. Aplikacja musi działać nawet w świetle słonecznym itp. Jeśli żaden filtr optyczny nie jest obecny w torze sygnałowym, to wielkość sygnału może nasycić łańcuch analogowy, uniemożliwiając w ten sposób prawidłowe działanie elektroniki.

    Monitorowanie warunkowe ludzkiego ciała
    Rys.2. Kompletny system do pomiarów
    bioelektrycznych z możliwością pomiaru
    zarówno biopotencjałów, jak i impedancji ciała.
    Pomiary biopotencjału i bioimpedancji

    Biopotencjał to sygnał elektryczny generowany przez reakcje elektrochemiczne w naszym organizmie. Przykłady pomiarów biopotencjalnych obejmują elektrokardiogram (EKG) i elektroencefalogram. Wykrywają one sygnały o bardzo małej amplitudzie w paśmie częstotliwości, w którym występuje kilka czynników zakłócających. W rezultacie sygnał przed przetworzeniem musi zostać wzmocniony i przefiltrowany. Pomiary biopotencjału EKG są szeroko stosowane w monitorowaniu funkcji życiowych.

    Pomiar bioimpedancji to kolejna technika, która może dostarczać przydatnych informacji na temat stanu fizycznego ludzkiego ciała. Pomiary impedancji dostarczają informacji dotyczących aktywności elektrodermalnej, składu ciała i stanu nawodnienia. Każdy parametr wymaga innej techniki pomiarowej. Liczba elektrod wymaganych dla każdej z nich i punkty, w których są stosowane, mogą się zmieniać wraz z zakresem stosowanych częstotliwości. Na przykład niskie częstotliwości (do 200 Hz) są używane do pomiaru impedancji skóry, podczas gdy w przypadku składu ciała ludzkiego zwykle stosuje się stałą częstotliwość 50 kHz. Podobnie różne częstotliwości są używane do pomiaru nawodnienia i prawidłowej oceny ilości płynów wewnątrzkomórkowych i zewnątrzkomórkowych.

    Pomiary ruchu za pomocą czujników MEMS

    Ponieważ czujniki MEMS mogą mierzyć przyspieszenie (nie tylko grawitacyjne), mogą być używane do pomiaru aktywności i jej anomalii, takich jak np. niestabilny chód, upadek czy nawet wstrząs mózgu, a nawet do monitorowania postawy, gdy obiekt jest w spoczynku. Ponadto czujniki MEMS można stosować jako uzupełnienie czujników optycznych - ponieważ są one narażone na artefakty ruchowe, informacje z akcelerometrów można wykorzystać do wprowadzenia korekt.

    O aplikacji tych i innych metod, do wykonywania pomiarów parametrów życiowych człowieka, w celu monitorowania jego stanu zdrowia, poczytać można dokładniej w linku źródłowym. Tam znaleźć też można także odnośniki do układów scalonych realizujących pomiary omawiane w artykule i w dalszej dokumentacji tych elementów.

    Źródło: https://www.arrow.com/en/research-and-events/articles/vital-sign-technologies

    Fajne! Ranking DIY
    Potrafisz napisać podobny artykuł? Wyślij do mnie a otrzymasz kartę SD 64GB.
    O autorze
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 napisał 9961 postów o ocenie 8219, pomógł 157 razy. Mieszka w mieście Warszawa. Jest z nami od 2003 roku.