Gerçek bir giyilebilir sistem kullanarak sürekli kan basıncı izleme

Kan basıncının (BP) sürekli izlenmesi, dünya çapında önde gelen ölüm nedenlerinden biri olan kardiyovasküler hastalıkların (KVH) teşhisinde ve önlenmesinde hayati önem taşır. Klinik ortamlarda, sürekli BP ölçümü için altın standart, arterin merkezine invaziv fiber bazlı bir basınç sensörünün implante edilmesini içerir. Ancak bu yaklaşım hasta rahatsızlığı ve enfeksiyon riskleri taşır ve rutin incelemeler ve günlük izleme için fazla invazivdir. Esnek elektronik ve yapay zekadaki son gelişmeler, giyilebilir cihazlar kullanılarak invazif olmayan sürekli BP izlemenin yolunu açtı. Bu ilerlemelere rağmen, mevcut giyilebilir cihazlar, ya hantal sinyal işleme araçlarından (Bio empedans tabanlı [1] ve Ultrason [2] tabanlı cihazlar) veya zayıf arayüz kararsızlığı (fotopletismografi) [3] tabanlı ve basınç sensörü tabanlı [4] cihazlar), giyilebilirliklerini ve kararlılıklarını önemli ölçüde tehlikeye atar. Ek olarak, mevcut giyilebilir cihazlar, nabız dalgalarını sürekli BP okumalarına dönüştürmek için basitleştirilmiş teorik modellere veya özellik kılavuzlu veri modellerine bağlıdır, bu da sık sık yeniden kalibrasyon ve uzun vadeli doğruluk sorunlarına neden olur. Sonuç olarak, ölçülen nabız dalgasını sürekli BP dalga biçimlerine dönüştürmek için sağlam bir algoritma ile birlikte gerçek bir giyilebilir cihazla doğru BP ölçümü elde etmek önemli bir zorluk olmaya devam ediyor.

Bu faktörleri dikkate alarak, TSMS olarak bilinen ince, yumuşak ve minyatür bir sistem için malzemeler, cihazlar, mekanik tasarımlar, veri işleme yöntemleri ve entegrasyon stratejilerinden oluşan kapsamlı bir çözüm geliştirdik (Şekil 1). TSMS, üç ayrı alt sistemden oluşur: atardamar deformasyonundan kaynaklanan cilt titreşimlerini etkili bir şekilde algılamak için tasarlanmış uyumlu bir algılama birimi, arayüz stabilitesini iyileştirmek için bir aktif basınç uyarlama birimi ve sinyal ön işleme ve kablosuz iletimden sorumlu bir sinyal işleme/iletim birimi.

Şekil 1 | Giyilebilir kablosuz sürekli tansiyon izleme sisteminin çalışma prensibi ve yerleşim düzeni. A Bir mobil GUI’de sunulan piezo tepkisinden sürekli kan basıncına sinyal dönüşümünün şematik diyagramı. Lokalize PWV’yi hesaplamak için iki örnekleme yeri arasındaki fiziksel mesafe ve iki algılama birimindeki zaman farkı kullanıldı. Nabız dalgası özellikleri, lokalize PWV ile birlikte, atımdan atıma BP’nin tahmini için verilere iletildi. B Üç alt sistem, algılama modülü, aktif basınç uyarlama modülü ve sinyal işleme modülü ile kablosuz bilekliğin patlayıcı görünümü.

TSMS’nin geliştirilmesi sırasında karşılaştığımız başlıca zorluklardan biri, olumlu bir kullanıcı deneyimi sağlarken arayüz sağlamlığının nasıl geliştirileceğiydi. Geleneksel Çin Tıbbındaki nabız teşhisinden ilham alarak, sensöre parmakla basınç uygulamanın sinyal kalitesini önemli ölçüde iyileştirebileceğini, bunun da amplitüd artışı ve daha yüksek sinyal-gürültü oranı ile sonuçlanabileceğini keşfettik. Ancak manşeti andıran aşırı basınç, arter akışını engelleyerek kullanıcıları rahatsız etti. Bunu ele almak için, sensör birimlerine tam olarak karşı basınç uygulayan ve böylece arayüz stabilitesini iyileştiren mikro hava yastıkları tasarladık. Mikro hava yastıkları sensör birimlerine değerli destek sağlarken, hava yastıkları içinde optimum basınç seviyelerinin korunması önemli bir zorluk oluşturuyordu. Geleneksel olarak, hassas basınç kontrolü için hava yastığı ile pompa arasında kapalı döngülü bir basınç kontrolü tercih edilir, ancak bu sistem hacmini ve güç tüketimini büyük ölçüde artıracaktır ve bu nedenle giyilebilir sistem için uygun değildir. Bunun üstesinden gelmek için, sistem karmaşıklığını ve güç tüketimini en aza indirirken hava yastıkları içindeki basınç seviyelerini düzenlemek için yumuşak silikon tek yönlü bir valf geliştirdik. Ayrıca, aşırı karşı basıncın atardamarın kapanmasına ve kullanıcı rahatsızlığına yol açabileceğini fark ettik. Bu nedenle, sinyal kalitesi ile kullanıcı konforu arasında bir denge kurmak için kapalı döngü çoklu pompalama faz kontrol stratejisi önerdik. Bir dizi eklem açısı altında brakiyal arter ve radyo arteri üzerindeki gösterim, arayüz sağlamlığını kanıtlıyor. Ek olarak, farklı vücut kitle indeksine (VKİ) sahip gönüllüleri içeren bir pilot çalışma, kullanıcılara herhangi bir rahatsızlık vermeden mükemmel nabız sinyalinin yakalandığını gösterdi.

Arka uçta, önceden eğitilmiş veri modeli, ölçülen nabız dalgasını sürekli olarak sürekli BP verilerine dönüştürmekten sorumludur. Bununla birlikte, mevcut algoritma zayıf genellenebilirlik ve uzun vadeli kararlılıktan muzdariptir. Bu sorunları ele almak için çeşitli algoritmalar, tahmin doğruluğunu ve uzun vadeli stabiliteyi iyileştirmek için atardamarların elastik özellikleriyle yakından ilişkili olan Nabız Dalgası Hızını (PWV) dahil etmiştir. Bununla birlikte, bu tür yaklaşımlar, uzun örnekleme segmentleri gerekliliği nedeniyle genellikle sistemin giyilebilirliğini feda eder. Bu sınırlamanın üstesinden gelmek için, sistem giyilebilirliğini iyileştirmek için PWV’yi kısa bir segmentte hesaplayan yerel PWV’yi benimsedik, bu da örnekleme oranı ve veri iletimi konusunda yüksek talepler ortaya koyuyor. Bu zorluğun üstesinden gelmek için, yüksek bir örnekleme hızı ve düşük güçlü kablosuz veri iletimi elde etmek için bir yeniden örnekleme süreciyle işbirliği içinde bir ön işleme stratejisi önerdik. Bu strateji, doğru ölçümler ile enerji verimliliği arasında bir denge kurarak giyilebilir sistemin uygulanabilirliğini sağlamamıza olanak tanır.

Tüm bu sorunlar ele alındığında, tüm sistem bileşenlerinin yalnızca 50 g ağırlığında ve 4 mm inceliğinde bir silikon bileklik içine sığdırıldığı gerçek giyilebilir TSMS gerçekleştirildi. Uygulanmasının ardından, bir dizi vücut hareketine karşı arayüz stabilitesindeki gelişimini ve toplam 87 gönüllü üzerinde genel ölçüm doğruluğunu incelemek için titiz deneyler gerçekleştirdik. Deneysel sonuçlar, TSMS’nin mükemmel arayüz anti-parazit yeteneği ve ölçüm doğruluğu gösterdiğini göstermektedir. TSMS’nin, sürekli BP izleme yoluyla hipertansiyonlu bireylerde kesin BP kontrolünün gerçekleştirilmesinde ve kardiyovasküler hastalıkların önlenmesinde çok önemli bir rol oynayabileceğini öngörüyoruz.

“Arter kan basıncının sürekli kablosuz izlenmesi için ince, yumuşak, giyilebilir sistem” başlıklı bu çalışma Nature Communications’da (https://doi.org/10.1038/s41467-023-40763-3) yayınlandı.

Referanslar

  1. Kirev, D. et al. Grafen biyoimpedans dövmeleri aracılığıyla arteriyel kan basıncının sürekli manşetsiz izlenmesi. Nat. Nanoteknoloji 1–7 (2022) doi:10.1038/s41565-022-01145-w.
  2. Wang, C. et al. Konformal bir ultrasonik cihaz aracılığıyla merkezi kan basıncı dalga formunun izlenmesi. Nat. Biyomed. Müh. 2687–695 (2018).
  3. Elgendi, M. et al. Hipertansiyonu değerlendirmek için fotopletismografinin kullanımı. Npj Rakam. Med. 21–11 (2019).
  4. Yi, Z. et al. Giyilebilir Sürekli Kan Basıncı İzleme için Arter Nabzının Piezoelektrik Dinamiği. Av. Anne. 342110291 (2022).

Bir yanıt yazın

E-posta adresiniz yayınlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir