פיתוח מכשירים לבישים למעקב אחר רמות חמצן בדם במהלך פעילות גופנית

הבנת הפיזיולוגיה שמאחורי החמצן הדם

ריצוף חמצן דם (SpO2) מודד את אחוז אתרי ההמולבין המחייבים בתאי דם אדומים הנכבשים על ידי חמצן.מדד זה קריטי כי חמצן הוא הדלק עבור חילוף החומרים התאיים, במיוחד במהלך מאמץ פיזי כאשר הביקוש לחמצן מפצה על ידי הגדלת קצב הלב וקצב הנשימה, אבל תנאים כגון אסטמה, או אפילו סביבות גבוהות יכולים לפגוע חמצן גבוה.

במהלך פעילות בינונית-לחריגה, צריכת חמצן (VO2) יכולה להגדיל עד 15-20 פעמים רמות מנוחה.ללא אספקה קבועה, השרירים עוברים למטבוליזם אנאירובי, המוביל לצטברות חומצה לקטקטית ולהגדיל את הביצועים. ניטור SpO2 רציף עוזר לספורטאים וחובבי כושר להישאר באזור אירובי, אופטימיזציה, זיהוי סימנים מוקדמים של hypoxemia לפני הופעת הסימפטומים כמו סחרחורת או נשימות.

טכנולוגיית חיישן הליבה: Photoplethysmography

רוב החיישנים של SpO2 לבישים מסתמכים על photoplethysmography (PPG) PPG פולטים שני אורכי גל - אדום באופן חד משמעי (660 nm) ו אינפרא אדום (940 nm) - דרך העור.חמצן המוגלובין סופג אור אינפרא אדום יותר ומאפשר אור אדום יותר לפזר בחזרה; deoxygenated hemoglobin עושה את ההפך על ידי יחסי של שני אור שמשתקף,2 מחשבת.

עיצוב אופטי ו- Form Factor

הרהורים-מו דה PPG (שמשתמשים במכשירים של פרק כף יד) עומדים בפני מגבלות ייחודיות בהשוואה ל-GPS (תוספת של הדופק oximeters) לפרק יש צפיפות נמוכה יותר של arterioles והוא רגיש מאוד להצעה, הזיעה, והתערבות אור מכוננת.מפתחים חייבים להתאים את מיקום LED, רגישות תמונה, והגנת אופטית של רבים משתמשים בחיישנים מודרניים (למשל, על מנת לשפר את טווח אותות).

אמנות: טקטית Mitigation

התנועה היא האתגר העיקרי של ניטור SpO2 עונד. Accelerometers וgyroscopes מלווה כעת חיישנים PPG כדי ליצור אלגוריתמים מבוססי תנועה מאיצה.כאשר המכשיר מזהה חפץ תנועה, זה יכול לנפץ קטעי נתונים מושחתים או ליישם מסנן מותאם באופן דומה, מודלים חדשים של למידת מכונה על נתונים גדולים של קודים נקיים ורעשים PPG יכול להבחין בין אותות קריאה יעילה או פונקציות עיבוד חיוניות.

מפתח חומרה משתתפת מעבר לחיישנים

מיקרובקר ו- Signal Process Unit

מיקרובקר בעל כוח נמוך (MCU) חייב להתמודד עם דגימה מתמשכת של נתוני PPG ב 50-100 הרץ, ליישם סינון דיגיטלי, ו compute SpO2 באמצעות יחס של רטאות דינמיות MC. אפשרויות פופולריות כוללות את ARM Cortex-M4 וחדשים RISC-V ליבות אופטימליות לעיבוד אותות אנרגיה נמוכה.

סוללה וניהול כוח

חיי סוללה הם גורם מכריע לאימוץ משתמשים.מוניטור של פרק כף יד טיפוסי של SpO2 דורש 50-100 מ"מ במהלך חישה פעילה.מנהל כוח אינטליגנטי יכול להזיז את חיישן PPG: לדוגמה, לוקח מדי 10 שניות מנוחה אבל מעבר ל- sampling רציף (כל פעימות לב) במהלך פעילות גבוהה מזוהה.

תגית: Haptic Feedback

בעוד שמסכים המציגים ערכי SpO2 בזמן אמת הם אינטואיטיביים, הם שואבים כוח.מכשירים ללא תצוגה להסתמך על eps או רטטים אפוקליפטיים כדי להזהיר משתמשים כאשר ריצוף חמצן יורד מתחת לסף (למשל, 90%) An Always-on Memory-in-pixel (MIP) יכול להראות את הקריאה הנוכחית עם מינימום אנרגיה לצייר, לביצועים פשוטים צבע-כחול = צהוב (צהוב) הוא לעתים קרובות קל יותר.

אתגרים והנדסת סחר

עור טונה וחיישנים קלבריון

oximeters מבוסס PPG הציגה היסטורית הטיה נגד גוונים עור כהה כי מלנין סופג אור אדום ואדום, שינוי היחס.מחקר עדכני של ה- FDA ומוסדות אקדמיים (למשל, FLT:0:0 תקשורת בטיחות FDA על דיוק הדופק oximeter FLT:1) המנדטים כי יצרנים מאמת מכשירים על פני סוגים מרובים של עור לביש חייב לכלול אוכלוסיות מגוונות באימונים ולהפחית נתונים אופטיים כדי להתאים לאלגוריתמים שונים.

המונחים: Educed Signal Corruption

כפי שצוין, פריטים תנועה הם הרשע הגדול ביותר ב SpO2 לבישים במהלך קפיצת סיבולת או plyometric, גל PPG הופך להיות מזוהם מאוד על ידי תנועת רקמות. החוקרים פיתחו ביטול רעש הסתגלות באמצעות מתאם גלי כפול: אם האותות האדומים והאדום עובר בדרך שלא ניתן להסביר על ידי שינויים פיזיולוגיים, הדיסקים שגישה אחרת משתמשת auxiliary accelerometer כדי למתחם של ה-Ptrattratextextexa.

לחץ מגע וזיעה

אם החיישן הוא רופף מדי, אור מתפתל דולף פנימה; אם כי אם חזק מדי, ארסיות מרגיעה משנה את המדידה. ג'לים הפיכה אופטית או חלונות חיישן מרקם לעזור לשמור על קשר עקבי. הזיעה מציגה שכבה נוספת של לחות שיכולה לפזר אור ללא מרשם. ציפויים הידרופוביים ומיקרו-מיקרו-מאווררים המאפשרים לחות הם פתרונות עיצוביים.

אינטגרציה וגידול נתונים

צגים של כיתה רפואית חייב לציית ISO 80601-2-61 דיוק ( ⁇ 2% ARMS שגיאה) צריכת כושר הצרכנים לעתים קרובות לשאוף ±3% פחות מחמיר אבל עדיין בפני בדיקה רגולטורים.מפתחים צריכים ליישם אימות חזק נגד התייחסות CO-oximeter בהגדרה קלינית.

Algorithms: From Raw PPG כדי לאשר את ה- SpO2

המונחים:

נתוני Raw PPG מועברים לראשונה דרך מסנן פס קבוצתי (0.5-5 הרץ) כדי להסיר את סחף הבסיס ורעש גבוה ⁇ . ואז אלגוריתם קליטת שיא לחלץ את השיאים הסיסטוביים.מפסגות אלה, רכיבי AC ו- DC מופרדים: AC מייצג את הדם האמנותי השבר; DC מייצג את הרקורד הלא-פוללי.

Machine Learning for Robustness

מכשירים מתקדמים עכשיו להטביע רשתות עצביות קטנות (למשל, 1D-CNN או LSTM) אשר לומדים את המאפיינים של נקי נגד פלחי PPG רועשים.הם יכולים גם לפצות על פיזיולוגיה אישית - כגון נוקשות עורקים או הבדלים במחזור היקפי.אימון מודלים אלה דורש נתונים גדולים מפעילויות שונות (ריצה, רכיבה על אופניים, הרמת משקל) ודמוגרפיים מבוסס ענן אפשרי, אך ורק על סימטריה אמיתית על ידי מיקרו-Nextualds.

המונחים: breation over

ריצוף משמש ערך SpO2 ידוע (למשל, מ סימולטור ספסל) כדי להגדיר את הבסיס.עם זאת, הבדלים בודדים עובי, צפיפות שיער, ומורולוגיה העצם יכול להשפיע על הנתיב האופטי. חלק ללבוש מציעים כיב חד פעמית אחת, שבו המשתמש בו זמנית לובש הדופק של האצבע מנקה עבור 60 שניות.

חווית המשתמש ושיקולי עיצוב

טבלאות ואזהרות

דפוסים של רטט יעיל לביש מספק משוב לא אובססיבי אבל משמעותי.הפטיים יכולים לסמן טיפות ב- SpO2 מבלי לדרוש מהמשתמש לעצור ולהתבונן במסך.לדוגמה, שלושה הדופקים קצרים כל 10 שניות כאשר SpO2 נופל מתחת 92%, וזזז מתמשך מתחת ל-88%.

אינטגרציה וענן Sync

Bluetooth אנרגיה נמוכה (BLE) היא תקן דה- Facto להעברת נתונים לסמארטפונים.המכשיר צריך לתמוך בסינכרון תקופתי (כל כמה דקות) כדי לשמור את האפליקציה עד כה מבלי לרוקן את הסוללה של אחסון בענן מאפשר ניתוח לטווח ארוך, שיתוף עם מאמנים, או שילוב עם רשומות בריאות אלקטרוניות (עם הסכמה) פרטיות היא חובה: הצפנה מקצה לקצה ואנונימיות של נתונים לבריאות הם חיוניים לציית ו-HIP.

מציאות סוללה

משתמשים מצפים לחיי סוללה של שבוע משעון כושר.Achieving זה תוך מעקב אחר SpO2 ברציפות הוא אתגר.גישה היברידית צוברת מתח: המכשיר משתמש חיישן אופטי בעוצמה נמוכה כדי לזהות תנועה ורק מפעיל את חיישן SpO2 המלא כאשר המשתמש נמצא באזור פעילות בינונית-גבוהה.זה יכול לקצץ צריכת חשמל ממוצעת ב-50% תוך לכידת הנתונים הקריטיים ביותר.

יישומים בספורט וברפואה

ביצועים ספורטאיים

ספורטאים עליים משתמשים בנתונים של SpO2 כדי לאימון טוב בתנאים היפותקסיים.מכשירים לבישים שמזהירים אותם כאשר SpO2 מתקרב לרמות נמוכות באופן מסוכן, מאפשרים הכשרה בטוחה יותר בגובה גבוה יותר עבור ספורט סיבולת, שמירה על SpO2 מעל 95% לאורך כל המירוץ יכול להיות ביצועים שונים מאמנים. מאמנים יכולים לבדוק פוסט-עבודה ללא טרנדים כדי לזהות סימנים מוקדמים של אימון, שבו ניתן לפשרת חמצן עקב תפקוד לקוי.

ניטור קליני בשיקום

חולים המתאוששים מ- COVID-19 או חיים עם מחלה ריאות חסימתית כרונית (COPD) נהנים מ- SpO2 רציף ניטור במהלך שיקום פעילות גופנית.לבושים יכולים להתאים באופן אוטומטי אינטנסיביות של פעילות גופנית המבוססת על קריאה בזמן אמת, למנוע מחיקה מסוכנת.ברמות לב rehab, ירידה פתאומית ב- SpO2 עשויה להצביע על התגלמות ריאות או להחמיר את כשל הלב - מתן ייעוץ מיידי באמצעות סימנים של פעילות גופנית:

ספורט והצלה בשדה

גולשים, הרים ומטיילים משתמשים בצגים של SpO2 ללבוש כדי להעריך את ה- Acclimatisation שלהם. קריאה מתמשכת מתחת 80% בגובה גבוה הוא סימן של מחלת הרים חריפה (AMS) ואינדיקציה לרדת. משככי לבישים עם חיי סוללה ארוכים ואבטחת נתונים לא מקוונת הם קריטיים עבור סביבות אלה. חלק מהמכשירים עכשיו משלבים GPS כדי לקשור בין ספירת 2 קוראות עם גובה, מתן זמן אישי.

נתיבי מילואים והסמכת

הבאת צג דו-צדדי לשיווק כולל תקנות מכשיר רפואי בכל אזור יעד. בארצות הברית, ה- FDA מסווג הדופק oximeters כמכשירים מסוג II (510(k) כאשר הם משמשים לקבלת החלטות קליניות.גם אם המכשיר הוא ממוכן רק "התאמה ובריאות", יצרנים לא צריכים לקבל תביעות על אבחון או טיפול בתיקון מחלה מתאימה (מבקשת אלגוריתמים) אשר דורשת השפעה רפואית דומה (MS) עבור אלגוריתמים).

תאימות פרואקטיבית כוללת ISO 13485 איכות ניהול, IEC 60601 בדיקות בטיחות (חשמליות, אלקטרומגנטיות וסביבתיות), ומחקרי שימושיות שמהווים את אסטרטגיית התווית ברורה - לדוגמה, "המכשיר הזה אינו מכשיר רפואי ואינו מיועד לאבחן או לפקח על מצב רפואי" - יכול לזרז את השוק הצרכני, אך תאימות קלינית.

חידושים עתידיים על Horizon

Multi-site ו- Multi-parameter Sensing

הבאדור עונדים ישלבו את SO2 עם ECG, טמפרטורת העור, ו-GGSR העור גלבוני (GSR) כדי ליצור תמונה מקיפה של קרטון-עלים (החליפה חיישנים על שניהם הזרוע, החזה או האוזן יכולים לשפר את הדיוק על ידי לכידת גלוריאנטים ארטריים מאתרים מרובים. חיישנים PPG אוזן-מונעים) הם אבטיפוס עבור פעילויות אותות גבוהות יותר.

הדבקה מתמשכת באמצעות כימיה זיעה

החוקרים בודקים את הקשר בין סמנים ביולוגיים זיעה (שלאוט, pH) לבין רמות חמצן בדם. ⁇ גמישה המדידה הן PPG והן אנאליטים סוודרים יכול לספק תיקון בזמן אמת עבור vasoconstriction היקפי או dehydration, אשר degrade PPG דיוק.זה יהיה קפיצה קדימה עבור מכשירים המשמשים בתנאים חמים ולחים.

מערכות אופטיות של אולטרה-נמוכות

ההתקדמות בחומרי פוטודיודה אורגניים מאפשרת חיישנים גמישים יותר הדורשים אחד את הכוח של photodiodes סיליקון מסורתיים בשילוב עם קציר אנרגיה מחום הגוף או תנועה, אלה יכולים לאפשר ניטור רציף, ללא תחזוקה במשך שבועות.

למידה מעודכנת עבור מודלים אישיים

במקום לרכז את נתוני בריאות המשתמשים, למידה מאוזן מאמן את האלגוריתם SpO2 במכשיר עצמו של המשתמש, רק שולח עדכונים מודל אנונימיים לענן.זה משמר פרטיות ומאפשר לדגם להסתגל לפיזיולוגיה הייחודית של כל משתמש שמתאמן בקביעות בסביבות חמות, למשל, יקבל מודל שיכול להבדיל בין vasodilation חום-מדומה ל-Appoxime.

מסקנה

פיתוח מכשיר לביש למעקב אחר רמות החמצן בדם במהלך הפעילות הגופנית הוא מאמץ רב תחומי הדורש הבנה עמוקה של פיזיקה אופטית, עיבוד אותות, פיזיולוגיה אנושית ועיצוב ממשק המשתמש, בעוד אתגרים כגון חפצים בתנועה, הטיה של חיישן על פני גוונים בעור, וחיי סוללה נשארים אזורי מחקר פעילים, המסלול הוא ברור: מכשירים הופכים קטנים יותר, מדויקים יותר, וחכמים יותר.