Älykellojen happisaturaatioantureiden luotettavuus

Abstract

Veren happisaturaatio on yksi tärkeimmistä ihmisen vitaalielintoimintojen mittausparametreista, ja se kertoo kudosten hapensaannista eli siitä, kuinka suuri osa veren hemoglobiinimolekyylien happea sitovista kohdista sitoo happimolekyylin itseensä. Veren happisaturaatio ilmaistaan prosenttilukuna, ja terveillä yksilöillä veren happisaturaatio on yli 95 % ja tätä alle olevat lukemat kertovat yleensä elimistön happeutumishäiriöstä, kuten unen aikaisesta hypoksemiasta eli uniapneasta, joka voi hoitamattomana johtaa yksilön menehtymiseen. Älykelloja voidaan käyttää vuorokauden ympäri veren happisaturaation arviointiin, jolloin epäluotettava happisaturaation arviointi voi johtaa pahimmillaan terveydellisiin ongelmiin. Tämän työn tarkoituksena on selvittää ovatko älykellojen happisaturaatioantureiden mittaamat tulokset luotettavia ja että, voidaanko älykelloilla saatua happisaturaation arviota käyttää yksilön terveydentilan arviointiin.

Happisaturaatiota arvioidaan pulssioksimetreillä, joiden toiminta perustuu optiseen fotopletysmografiaan. Mittauspaikasta sekä -laitteesta riippuen voidaan käyttää transmissiivista fotopletysmografiaa, joka perustuu valon läpäisyyn, tai valon heijastumiseen perustuvaa reflektiivistä fotopletysmografiaa. Kliinisessä käytössä suositaan sormeen asetettavia transmissiopulssioksimetreja ja kuluttujakäytössä suositaan ranteeseen asetettavia älykelloja, joiden happisaturaation arviointi perustuu reflektanssipulssioksimetriaan. Työn tarkoituksena on perehtyä veren happisaturaation arviointiin älykellojen avulla. Työssä veren happisaturaation arvon määrittämiseen perehdytään sen fysiologian sekä laskennan ja mittauspaikan vaikutuksen kautta, joiden jälkeen perehdytään älykellon elektronisen toteutuksen vaikutukseen veren happisaturaation arvioimisessa.

Älykellojen käyttö happisaturaation arvioimiseen on yleistynyt kotikäytössä, ja useat älykellovalmistajat pyrkivät saamaan älykelloilleen diagnostiset luvat happisaturaation arvioimiseen, jolloin älykellon antamaa mittausdataa voitaisiin käyttää sairauksien diagnosoimisessa. Älykellot ovat sulautettuja järjestelmiä ja niiden toimintaan kuuluu biosignaalien mittaamisen lisäksi puhelujen sekä erilaisten sovellusten suorittaminen. Älykelloissa on rajallinen akkukapasiteetti, joka asettaa happisaturaation luotettavalle arvioimiselle haasteita, sillä jatkuva-aikainen happisaturaation arviointi kuluttaa virtaa, jolloin älykellon toiminta-aika lyhenee merkittävästi. Tämän vuoksi älykelloissa suositaan opportunista mittausta, joka suoritetaan käyttäjän ollessa levossa, jolloin mittausdataa ei saada liikkeen aikana ilman erillistä mittauksen käynnistämistä.

Elektroniikka on älykelloissa suljettua, jolloin kuluttujat eivät pääse näkemään yksittäisiä komponentteja, joista älykello koostuu. Älykelloissa suositaan system on a chip -suunnittelua, jossa suurin osa älykellon komponenteista sijoitetaan yhdelle sirulle, joka jaetaan erillisiin toiminnallisiin alueisiin. Työssä on arvioitu kaupallisten älykellojen happisaturaation arviointia sekä komponenttien luotettavuutta yleiseltä piirikaaviototeutustasolta.

Älykelloissa käytetyssä reflektanssipulssioksimetriassa haasteena on heikko signaali-kohinasuhde, jolloin hyötysignaalin erottaminen häiriöstä on vaikeaa ja liiallinen signaalitehon kasvattaminen johtaa virrankulutuksen sekä tehon, eli lämmön, kasvamiseen. Tehon kasvaessa komponentit lämpenevät enemmän, joka voi aiheuttaa kuluttajalle pahimmillaan palovamman ranteeseen ja kasvanut tehonkulutus vähentää älykellon toiminta-aikaa. Ratkaisuna tähän ongelmaan voidaan tulevaisuudessa käyttää joustavan elektroniikan tarjoamia ratkaisuja lämmönhallinnassa, komponenttisijoittelussa sekä akkukapasiteetin lisäämisessä. Tällä hetkellä älykelloilla ei voida saada yhtä luotettavia happisaturaation arvioita, kuin kliinisillä mittalaitteilla saadaan, mutta jatkuvan ympärivuorokautisen mittauksen myötä happisaturaatiolukeman trendin seurannalla voidaan havaita akuutit hypoksemiat sekä krooniset elimistön happeutumishäiriöt.