Geavanceerde sensoren maken wearable gezondheidstechnologie mogelijk: van hartslag tot temperatuurnauwkeurigheid

De synergie tussen wearable technologie en medische apparaten is helder en aanwezig, zoals gedemonstreerd door de Apple Watch Series 4, die met FDA-goedkeuring voor diverse cardiale monitoring-mogelijkheden kwam. Een vergelijkbaar verhaal speelt zich af in hearable-ontwerpen uitgerust met augmented reality (AR) en virtual reality (VR)-capaciteiten.

In deze toepassing identificeren minuscule sensoren, samen met bedrade of draadloze communicatie, afwijkende en onverwachte situaties door psychologische factoren en andere indicaties vast te leggen. Echter, de hoogst geminiaturiseerde medische wearable-apparaten vragen om een aanzienlijke verbetering in sensormogelijkheden omdat gezondheidszorg- en fitness-monitors grotere nauwkeurigheid eisen bij het meten van menselijke biometrieën, zoals lichaamstemperatuur en hartslag.

Een draagbare medische sensor, gedragen door individuen om gezondheids- en fitnessinformatie vast te leggen, kan lichaamssignalen monitoren, zoals bloeddruk, hartslag en andere metabolische activiteiten. Deze draagbare sensoren leveren vitale informatie over biologische en psychologische veranderingen in het lichaam, terwijl ze de lopende behandeling voor cardiovasculaire, neurologische en pulmonale aandoeningen monitoren - bijvoorbeeld astma, hypertensie, etc.

Fig. 1: Medische-graadsensoren zijn cruciaal in wearable-ontwerpen voor hun rol in het creëren van geavanceerde monitoringssystemen. (Afbeelding: ams)

Dit artikel schetst drie belangrijke ontwerpoverwegingen voor ontwikkelaars van wearable gezondheidszorgapparaten 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 prima overweging is voor sensoren in het algemeen, presenteert het een specifieke ontwerpuitdaging omdat wearable-apparaten klein zijn en op het lichaam worden gedragen. Ze kunnen leiden tot thermische zelfverhitting en constante lichaamscontact, wat de nauwkeurigheid beïnvloedt bij het meten van vitale tekenen, zoals temperatuur, hartslag en zuurstofverzadiging van het bloed (SpO₂).

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

Sensor-IC-fabrikanten maken vooruitgang om deze uitdagingen aan te gaan. Bijvoorbeeld, Rohm Semiconductor's BH1790GLC optische sensor voor hartslagmonitoring - geoptimaliseerd voor draagbare apparaten zoals sportbanden en smartwatches - verbetert de gevoeligheid door polsgolven met hoge nauwkeurigheid te detecteren, zelfs met lage LED-helderheid.

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

Energieprobleem van wearable sensoren

De integratie van hartslagmonitoring in smartwatches en sportbanden is een uitdaging geweest vanwege beperkte batterijcapaciteit. Met andere woorden, optische sensoren voor hartslagmonitoring vereisen een aanzienlijke reductie in stroomverbruik om de werktijd voor draagbare apparaten te verlengen.

Neem het voorbeeld van Maxim Integrated's MAXM86161 in-ear hartslagmonitor en pulsoximeter gericht op hearables en andere draagbare toepassingen. De sensor komt geïntegreerd met een analog front-end (AFE), wat de noodzaak voor een aparte chip en het verbinden ervan met de optische module elimineert. Maxim Integrated claimt dat de MAXM86161-sensor ongeveer 35% minder stroom verbruikt dan de dichtstbijzijnde concurrent met minder dan 10 μA in werkende modus en 1,6 μA in shutdown-modus.

Hier is het belangrijk om te noteren dat energiebesparing en miniaturisatie Hand in hand gaan wanneer het gaat om sensoren die de medische wearables-markten bedienen. De MAXM86161 in-ear hartslagmonitor komt in een OLGA-behuizing van 2,9 x 4,3 x 1,4 mm en bevat drie LEDs: rood en infrarood voor SpO₂-meting en groen voor hartslag.

Biopotentiele AFE-chips die kleiner, lichter en minder opvallend zijn, zijn beschikbaar voor cardiale monitoring-apparaten om te garanderen dat draagbare apparaten niet ongemakkelijk zijn voor patiënten om te dragen en langere batterijlevensduur bieden. De AD8233 chip van Analog Devices Inc. (ADI) is ontworpen als een ECG-front-end die het stroomverbruik naar microamps brengt door een typische ruststroom van 50 μA te bieden.

Sensorplatforms voor medische wearables

Net als bij andere draagbare ontwerpen, worden modulaire sensorplatforms aangeboden om out-of-the-box oplossingen voor medische wearables te faciliteren. Bijvoorbeeld, de Aistin Blue ontwikkelkit van iProtoXi wordt geleverd met toepassingsvoorbeelden voor fitness- en activiteitstracking. 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 het MAXREFDES101 Health Sensor Platform 2.0 van Maxim Integrated (Fig. 2) dat snelle prototyping, evaluatie en ontwikkeling faciliteert voor accurate monitoring van lichaamstemperatuur, hartslag en ECG. Het omvat een horloge-behuizing die een display, batterij, micro-board en sensor-board huisvest.

Fig. 2: Het sensor-volle platform voor polsgedragen apparaten faciliteert metingen voor ECG, hartslag en temperatuur. (Afbeelding: Maxim Integrated)

Het sensorbord bevat een optische sensor, een geïntegreerde biopotentiele en bioimpedantie AFE, een temperatuursensor en een biometrische sensorhub. Hier vereenvoudigt de MAX32664 biometrische sensorhub het ontwikkelproces door ingebouwde firmware en algoritmes te bieden alsook naadloze communicatie met de optische sensoren te mogelijk maken.

Het Health Sensor Platform 2.0 ondersteunt draagbare ontwerpen variërend van sporthorloges, tot ECG-monitors, tot fitness-trackers. Het stelt ontwikkelaars ook in staat om hun eigen analyses en evaluatie van onboard-algoritmes uit te voeren.

De rol van sensoralgoritmes

Biosensoren in smartwatches, fitness-trackers en andere medische wearables moeten zeer nauwkeurig zijn in het monitoren van diverse gezondheidsparameters. Een van de meest voorkomende typen biosensoren, een optische sensor, is een voorbeeld. Het interageert met coherente en non-coherente lichtbronnen, die kunnen worden geabsorbeerd, gereflecteerd, en verstrooid of gedispergeerd, wat de sensorsignaalnauwkeurigheid wijzigt.

Daarom komen optische sensoren geïntegreerd met vitale-teken-monitoring-algoritmen, zodat omgevingslichtcancellatie en andere bewegingscancellatie-uitdagingen adequaat worden aangepakt. Ten tweede, zoals hierboven vermeld, moeten medische sensoren zeer kleine vormfactoren bieden zodat ze goed passen in kleine wearables en minimaal stroom verbruiken.

Tot slot kan de beschikbaarheid van referentieontwerpen en ontwikkelkits maanden aan ontwikkelwerk besparen voor wearable-ontwerpingenieurs, terwijl geavanceerde tools voor de eenvoudige integratie van nieuwe sensoren worden geleverd. Het gebeurt allemaal nu met de adoptie van geavanceerde monitoringssystemen in draagbare sensoren.