Gespecialiseerde sensoren ondersteunen wearables voor de gezondheidszorg

De synergie tussen draagbare technologie en medische apparaten is duidelijk en aanwezig, zoals blijkt uit de Apple Watch Series 4, die werd geleverd met goedkeuring van de Food and Drug Administration (FDA) voor verschillende hartbewakingsfuncties. Een soortgelijk verhaal krijgt vorm in hoorbare ontwerpen die zijn uitgerust met augmented reality (AR) en virtual reality (VR)-mogelijkheden.

In deze toepassing identificeren kleine sensoren, samen met bekabelde of draadloze communicatie, abnormale en onverwachte situaties door psychologische factoren en andere indicaties vast te leggen. De sterk geminiaturiseerde medische draagbare apparaten vragen echter om een ​​aanzienlijke verbetering van de detectiemogelijkheden, omdat gezondheids- en fitnessmonitoren een grotere nauwkeurigheid vereisen bij het meten van menselijke biometrie, zoals lichaamstemperatuur en hartslag.

Een draagbare medische sensor, die door individuen wordt gedragen om gezondheids- en fitnessinformatie vast te leggen, kan lichaamssignalen volgen, zoals bloeddruk, hartslag en andere metabolische activiteiten. Deze draagbare sensoren bieden essentiële informatie over biologische en psychologische veranderingen in het lichaam, terwijl ze de lopende behandeling van cardiovasculaire, neurologische en longaandoeningen bewaken, bijvoorbeeld astma, hypertensie, enz.

Afb. 1:Sensoren van medische kwaliteit zijn cruciaal in draagbare ontwerpen vanwege hun rol bij het creëren van geavanceerde monitoringsystemen. (Afbeelding:ams)

Dit artikel schetst drie belangrijke ontwerpoverwegingen voor ontwikkelaars van draagbare apparaten in de gezondheidszorg bij het selecteren en integreren van kleine sensoren in hun draagbare ontwerpen. Het proces begint met de gevoeligheid en nauwkeurigheid van sensorapparaten.

Nauwkeurigheid van sensormetingen

Hoewel nauwkeurigheid een eerste overweging is voor sensoren in het algemeen, vormt het een bijzondere ontwerpuitdaging omdat draagbare apparaten klein zijn en op het lichaam worden gedragen. Ze kunnen last hebben van thermische zelfverhitting en constante aanraking van het lichaam, wat van invloed is op de nauwkeurigheid bij het meten van vitale functies, zoals temperatuur, hartslag en zuurstofverzadiging in het bloed (SpO₂ ).

De AS7026 optische sensor van ams (Fig.1 ) gebruikt geavanceerde algoritmen om de nauwkeurigheid van hartslag, hartslagvariabiliteit, elektrocardiogram (ECG) en bloeddrukmetingen in fitnesstrackers en smartwatches te garanderen.

Fabrikanten van sensor-IC's boeken vooruitgang om deze uitdagingen aan te gaan. Bijvoorbeeld, Rohm Semiconductor's BH1790GLC optische sensor voor hartslagmeting — geoptimaliseerd voor draagbare apparaten zoals sportbanden en smartwatches — verbetert de gevoeligheid doordat pulsgolven met hoge nauwkeurigheid kunnen worden gedetecteerd, zelfs bij lage LED-helderheid.

Ook de MAX30208 digitale temperatuursensor van Maxim Integrated elimineert thermische zelfverhitting en levert een nauwkeurigheid van ± 0,1 °C in het bereik van 30 °C tot 50 °C. De temperatuursensor van klinische kwaliteit annuleert omgevingslicht voor een grotere nauwkeurigheid en maakt gebruik van algoritmen voor bewegingscompensatie om de meetnauwkeurigheid te vergroten.

Het machtsvraagstuk van draagbare sensoren

De integratie van hartslagmeting in smartwatches en sportbanden was een uitdaging vanwege de beperkte batterijcapaciteit. Met andere woorden, optische sensoren voor hartslagmeting vereisen een aanzienlijke vermindering van het stroomverbruik om de gebruiksduur van draagbare apparaten te verlengen.

Neem het voorbeeld van Maxim Integrated's MAXM86161 in-ear hartslagmeter en pulsoximeter gericht op hearables en andere draagbare toepassingen. De sensor is geïntegreerd met een analoge front-end (AFE), waardoor een aparte chip en aansluiting op de optische module niet nodig is. Maxim Integrated beweert dat de MAXM86161-sensor ongeveer 35% minder stroom verbruikt dan zijn naaste concurrent met minder dan 10 A in bedrijfsmodus en 1,6 μA in uitschakelmodus.

Hier is het belangrijk op te merken dat energiebesparing en miniaturisatie hand in hand gaan als het gaat om sensoren die de markt voor medische wearables bedienen. De MAXM86161 in-ear hartslagmeter wordt geleverd in een OLGA-verpakking van 2,9 x 4,3 x 1,4 mm en bevat drie LED's:rood en infrarood voor SpO₂ meting en groen voor hartslag.

Biopotentiële AFE-chips die kleiner, lichter en minder opdringerig zijn, zijn beschikbaar voor hartbewakingsapparaten om ervoor te zorgen dat draagbare apparaten niet onaangenaam zijn voor patiënten om te dragen en om een ​​langere levensduur van de batterij te bieden. De AD8233 chip van Analog Devices Inc. (ADI) is ontworpen als een ECG-front-end die het stroomverbruik terugbrengt tot microampère door een typische ruststroom van 50 A te bieden.

Sensorplatforms voor medische wearables

Net als bij andere draagbare ontwerpen worden modulaire sensorplatforms aangeboden om kant-en-klare oplossingen voor medische wearables mogelijk te maken. Bijvoorbeeld de Aistin Blue ontwikkelingskit van iProtoXi wordt geleverd met toepassingsvoorbeelden voor het volgen van fitness en activiteiten. Het bevat de nieuwste sensoren van Kionix, nu onderdeel van Rohm Semiconductor. De kit bevat de Kionix Windows Sensor Evaluation software die sensorconfiguratie en data-acquisitie vereenvoudigt.

Een ander voorbeeld is de MAXREFDES101 Health Sensor Platform 2.0 van Maxim Integrated (Fig. 2 ) die snelle prototyping, evaluatie en ontwikkeling mogelijk maakt voor nauwkeurige bewaking van lichaamstemperatuur, hartslag en ECG. Het bestaat uit een horlogebehuizing met daarin een display, batterij, microkaart en sensorkaart.

Afb. 2:Het met sensoren gevulde platform voor apparaten die om de pols worden gedragen, maakt metingen van ECG, hartslag en temperatuur mogelijk. (Afbeelding:Maxim Integrated)

Het sensorbord bevat een optische sensor, een geïntegreerde biopotentiaal en bio-impedantie AFE, een temperatuursensor en een biometrische sensorhub. Hier, de MAX32664 biometrische sensorhub vereenvoudigt het ontwikkelingsproces door ingebouwde firmware en algoritmen te bieden en naadloze communicatie met de optische sensoren mogelijk te maken.

Het Health Sensor Platform 2.0 ondersteunt draagbare ontwerpen, variërend van sporthorloges tot ECG-monitoren tot fitnesstrackers. Het stelt ontwikkelaars ook in staat om hun eigen analyses en evaluaties van ingebouwde algoritmen uit te voeren.

De rol van sensoralgoritmen

Biosensoren in smartwatches, fitnesstrackers en andere medische wearables moeten zeer nauwkeurig zijn in het bewaken van verschillende gezondheidsparameters. Een van de meest voorkomende soorten biosensoren, een optische sensor, is daar een goed voorbeeld van. Het werkt samen met coherente en niet-coherente lichtbronnen, die kunnen worden geabsorbeerd, gereflecteerd en verstrooid of verspreid, waardoor de nauwkeurigheid van het sensorsignaal verandert.

Optische sensoren zijn dus geïntegreerd met algoritmen voor het bewaken van vitale functies, zodat de annulering van omgevingslicht en andere uitdagingen op het gebied van bewegingsonderdrukking adequaat worden aangepakt. Ten tweede, zoals hierboven vermeld, moeten medische sensoren zeer kleine vormfactoren bieden, zodat ze goed in kleine wearables passen en minimaal stroom verbruiken.

Ten slotte kan de beschikbaarheid van referentieontwerpen en ontwikkelingskits maanden aan ontwikkelingswerk besparen voor draagbare ontwerpingenieurs, terwijl geavanceerde tools worden geleverd voor de eenvoudige integratie van nieuwe sensoren. Het gebeurt nu allemaal met de adoptie van geavanceerde monitoringsystemen in draagbare sensoren.