Spezialisierte Sensoren unterstützen Wearables im Gesundheitswesen

Die Synergie zwischen tragbarer Technologie und medizinischen Geräten ist klar und präsent, wie die Apple Watch Series 4 zeigt, die die Zulassung der Food and Drug Administration (FDA) für verschiedene Herzüberwachungsfunktionen erhielt. Eine ähnliche Geschichte nimmt in hörbaren Designs Gestalt an, die mit Augmented Reality (AR)- und Virtual Reality (VR)-Funktionen ausgestattet sind.

Bei dieser Anwendung erkennen winzige Sensoren zusammen mit kabelgebundener oder kabelloser Kommunikation abnormale und unerwartete Situationen, indem sie psychologische Faktoren und andere Hinweise aufzeichnen. Die stark miniaturisierten medizinischen tragbaren Geräte erfordern jedoch eine deutliche Verbesserung der Sensorfunktionen, da Gesundheits- und Fitnessmonitore eine höhere Genauigkeit bei der Messung der menschlichen Biometrie wie Körpertemperatur und Herzfrequenz erfordern.

Ein tragbarer medizinischer Sensor, der von Einzelpersonen getragen wird, um Gesundheits- und Fitnessinformationen aufzuzeichnen, kann Körpersignale wie Blutdruck, Herzschlag und andere Stoffwechselaktivitäten überwachen. Diese tragbaren Sensoren liefern wichtige Informationen über biologische und psychologische Veränderungen im Körper und überwachen gleichzeitig die laufende Behandlung von Herz-Kreislauf-, neurologischen und Lungenerkrankungen – zum Beispiel Asthma, Bluthochdruck usw.

Abb. 1:Sensoren in medizinischer Qualität sind in tragbaren Designs aufgrund ihrer Rolle bei der Entwicklung fortschrittlicher Überwachungssysteme von entscheidender Bedeutung. (Bild:ams)

In diesem Artikel werden drei wichtige Designüberlegungen für Entwickler von tragbaren Gesundheitsgeräten skizziert, die winzige Sensoren auswählen und in ihre tragbaren Designs integrieren. Der Prozess beginnt mit der Empfindlichkeit und Genauigkeit von Sensorgeräten.

Genauigkeit der Sensormessungen

Während die Genauigkeit bei Sensoren im Großen und Ganzen von größter Bedeutung ist, stellt sie eine besondere Herausforderung an das Design dar, da tragbare Geräte klein sind und am Körper getragen werden. Sie können unter thermischer Selbsterwärmung und ständiger Körperberührung leiden, die die Genauigkeit bei der Messung von Vitalparametern wie Temperatur, Herzfrequenz und Blutsauerstoffsättigung (SpO₂ .) beeinträchtigen ).

Der AS7026 optischer Sensor von ams (Abb.1 ) verwendet ausgeklügelte Algorithmen, um die Genauigkeit von Herzfrequenz, Herzfrequenzvariabilität, Elektrokardiogramm (EKG) und Blutdruckmessungen in Fitnesstrackern und Smartwatches sicherzustellen.

Hersteller von Sensor-ICs machen Fortschritte, um diesen Herausforderungen zu begegnen. Zum Beispiel BH1790GLC von Rohm Semiconductor optischer Sensor zur Herzfrequenzüberwachung – optimiert für tragbare Geräte wie Sportarmbänder und Smartwatches – verbessert die Empfindlichkeit, indem er ermöglicht, Pulswellen mit hoher Genauigkeit zu erkennen, selbst bei geringer LED-Helligkeit.

Auch der MAX30208 Der digitale Temperatursensor von Maxim Integrated eliminiert die thermische Eigenerwärmung und liefert gleichzeitig eine Genauigkeit von ±0,1 °C im Bereich von 30 °C bis 50 °C. Der Temperatursensor in klinischer Qualität unterdrückt das Umgebungslicht für eine höhere Genauigkeit und verwendet Algorithmen zur Bewegungskompensation, um die Messgenauigkeit zu erhöhen.

Energieproblem bei tragbaren Sensoren

Die Integration der Herzfrequenzüberwachung in Smartwatches und Sportbänder war aufgrund der begrenzten Batteriekapazität eine Herausforderung. Mit anderen Worten, optische Sensoren für die Herzfrequenzüberwachung erfordern eine deutliche Reduzierung des Stromverbrauchs, um die Betriebszeit von tragbaren Geräten zu verlängern.

Nehmen Sie das Beispiel von Maxim Integrateds MAXM86161 In-Ear-Herzfrequenzmonitor und Pulsoximeter für Hearables und andere tragbare Anwendungen. Der Sensor ist mit einem integrierten analogen Front-End (AFE) ausgestattet, wodurch ein separater Chip und dessen Anschluss an das optische Modul überflüssig werden. Maxim Integrated behauptet, dass der MAXM86161-Sensor mit weniger als 10 μA im Betriebsmodus und 1,6 μA im Shutdown-Modus etwa 35 % weniger Strom verbraucht als sein nächster Wettbewerber.

Hier ist es wichtig zu beachten, dass Energieeinsparung und Miniaturisierung bei Sensoren für den Markt für medizinische Wearables Hand in Hand gehen. Der In-Ear-Herzfrequenzmesser MAXM86161 wird in einem OLGA-Gehäuse mit den Maßen 2,9 x 4,3 x 1,4 mm geliefert und enthält drei LEDs:Rot und Infrarot für SpO₂ Messung und grün für Herzfrequenz.

Biopotential-AFE-Chips, die kleiner, leichter und weniger störend sind, stehen für Herzüberwachungsgeräte zur Verfügung, um sicherzustellen, dass tragbare Geräte für Patienten nicht unangenehm zu tragen sind und eine längere Batterielebensdauer bieten. Der AD8233 Chip von Analog Devices Inc. (ADI) wurde als EKG-Frontend entwickelt, das den Stromverbrauch mit einem typischen Ruhestrom von 50 μA auf Mikroampere reduziert.

Sensorplattformen für medizinische Wearables

Wie bei anderen tragbaren Designs werden modulare Sensorplattformen angeboten, um sofort einsatzbereite Lösungen für medizinische Wearables zu ermöglichen. Zum Beispiel das Aistin Blue Development Kit von iProtoXi enthält Anwendungsbeispiele für Fitness- und Aktivitätstracking. Es enthält die neuesten Sensoren von Kionix, das jetzt Teil von Rohm Semiconductor ist. Das Kit enthält die Kionix Windows Sensor Evaluation Software, die die Sensorkonfiguration und Datenerfassung vereinfacht.

Ein weiteres Beispiel ist der MAXREFDES101 Health Sensor Platform 2.0 von Maxim Integrated (Abb. 2 ), die schnelles Prototyping, Evaluierung und Entwicklung für eine genaue Überwachung von Körpertemperatur, Herzfrequenz und EKG erleichtert. Es besteht aus einem Uhrengehäuse, das ein Display, eine Batterie, eine Mikroplatine und eine Sensorplatine beherbergt.

Abb. 2:Die mit Sensoren ausgestattete Plattform für am Handgelenk getragene Geräte erleichtert die Messung von EKG, Herzfrequenz und Temperatur. (Bild:Maxim Integrated)

Die Sensorplatine umfasst einen optischen Sensor, ein integriertes Biopotential- und Bioimpedanz-AFE, einen Temperatursensor und einen biometrischen Sensor-Hub. Hier der MAX32664 Der biometrische Sensor-Hub vereinfacht den Entwicklungsprozess, indem er eingebettete Firmware und Algorithmen bereitstellt und eine nahtlose Kommunikation mit den optischen Sensoren ermöglicht.

Die Health Sensor Platform 2.0 unterstützt tragbare Designs von Sportuhren über EKG-Monitore bis hin zu Fitness-Trackern. Es ermöglicht Entwicklern auch, eigene Analysen und Bewertungen von Onboard-Algorithmen durchzuführen.

Die Rolle von Sensoralgorithmen

Biosensoren in Smartwatches, Fitnesstrackern und anderen medizinischen Wearables müssen bei der Überwachung verschiedener Gesundheitsparameter sehr genau sein. Einer der gängigsten Arten von Biosensoren, ein optischer Sensor, ist ein typisches Beispiel. Es interagiert mit kohärenten und nicht kohärenten Lichtquellen, die absorbiert, reflektiert und gestreut oder gestreut werden können, wodurch die Genauigkeit des Sensorsignals verändert wird.

Optische Sensoren sind daher in Vitalparameter-Überwachungsalgorithmen integriert, um sicherzustellen, dass Umgebungslichtunterdrückung und andere Herausforderungen bei der Bewegungsunterdrückung angemessen angegangen werden. Zweitens sollten medizinische Sensoren, wie oben erwähnt, sehr kleine Formfaktoren bieten, damit sie gut in winzige Wearables passen und minimalen Strom verbrauchen.

Schließlich kann die Verfügbarkeit von Referenzdesigns und Entwicklungskits den Entwicklern von Wearables monatelange Entwicklungsarbeit ersparen und gleichzeitig fortschrittliche Tools für die einfache Integration neuer Sensoren liefern. All dies geschieht jetzt mit der Einführung fortschrittlicher Überwachungssysteme in tragbare Sensoren.