Wearables zielen auf COVID-19 ab

COVID-19 dominiert weiterhin die Schlagzeilen und eine der am stärksten betroffenen Branchen ist der Profisport. Als Basketball im Juli isoliert wieder zum Einsatz kam, boten die NBA und die WNBA den Spielern die Möglichkeit, den Oura-Ring zur Überwachung ihrer Gesundheit zu verwenden. Der Smart Ring kann laut seinem Hersteller das Auftreten von COVID-19-Symptomen bis zu drei Tage im Voraus mit einer Genauigkeit von 90 % vorhersagen.

Die Softwareplattform des Rings, die vom Rockefeller Neuroscience Institute der West Virginia University entwickelt wurde, verwendet auf künstlicher Intelligenz basierende Modelle, um basierend auf physiologischen Daten, die von den im Ring eingebetteten Sensoren gesammelt und in einer Smartphone-App gespeichert werden, vorherzusagen, wann ein Spieler beginnen könnte, sich krank zu fühlen. Insbesondere sammelt der Ring Blutpulsvolumendaten, die verwendet werden, um die Herzfrequenz, die Herzfrequenzvariabilität und die Atemfrequenz zu bestimmen. Die Ringe sammeln auch Körpertemperaturdaten, Handbewegungsdaten und einen Zeitstempel. Diese Daten werden dann über die Smartphone-App zur Analyse auf die KI-Plattform heruntergeladen.

Um diese Informationen zu sammeln, enthält der Oura Ring neben einem Körpertemperatursensor und einem Beschleunigungsmesser einen Photoplethysmographie-(PPG)-Sensor, eine Art von Sensor, der seit Jahren in medizinischen Geräten und Handgelenk-Wearables verwendet wird. Abhängig von der Position am Körper, an der ein PPG-Sensor angebracht werden soll (z. B. Stirn, Handgelenk, Ohrläppchen usw.), enthält der Sensor entweder eine oder mehrere rote/infrarote LEDs, grüne LEDs oder manchmal beide, sowie Photodetektor zum Messen der Intensität anwendbarer Wellenlängen. Die von der Photodiode erfasste Lichtintensität wird dann verwendet, um physiologische Parameter wie Herzfrequenz und Blutvolumen zu bestimmen.

IR-LEDs können tiefer in den Körper eindringen, z. B. in Muskelgewebe, sind jedoch anfälliger für Bewegungsartefakte wie Bewegungen des Geräts über die Haut, Unebenheiten der Haut und Umgebungstemperatur, was grüne LEDs für manche zu einer besseren Option macht Anwendungen. Die Aufnahme eines Beschleunigungsmessers zur Erfassung der Bewegungsrichtung reduziert die Auswirkungen von Bewegungsartefakten und macht die Verwendung einer IR-LED zu einer praktikablen Option in Anwendungen, bei denen dies möglicherweise nicht anders wäre. Dies ist der Ansatz, den die Macher des Oura-Rings anscheinend verfolgt haben.

Wie das Diagramm unten zeigt, emittiert ein PPG-Sensor Licht, das von Gewebe reflektiert (oder manchmal durch) übertragen wird, in eine Fotodiode.

Dieses Diagramm zeigt die PPG-Sensorfunktion.

Obwohl die Konfiguration anwendungsabhängig ist, kann ein typischer PPG-Sensor einen oder mehrere LED-Emitter, einen optischen Detektor und eine Signalverarbeitungsschaltung kombinieren. Optisches Pulsen in Kombination mit synchroner Erkennung kann den Betriebsstrombedarf reduzieren und die Unterdrückung von Umgebungslicht verbessern.

Als Beispiel verwendet der ADPD144RI von Analog Devices zwei rote (660 nm) und zwei IR (880 nm) LEDs und einen Vier-Segment-Fotodetektor, der für rote und IR-Emissionen optimiert ist. Die LEDs emittieren gepulstes Licht synchron mit einer analogen Signalaufbereitungsschaltung, die Transimpedanzverstärkung, Umgebungslichtunterdrückung und Verstärkung umfasst. Jedes der vier aufbereiteten Signale wird an einen ADC und dann an einen Akkumulator geleitet. Nach der Mittelung kann das resultierende Signal entweder über Ausgangsregister oder einen FIFO-Puffer gelesen werden. Siehe ein Blockdiagramm für das Modul unten.

Dies ist ein Blockdiagramm für das optische Sensormodul ADPD144RI PPG.

Die Betriebstemperaturspezifikation für den ADPD144RI beträgt -40 °C bis +85 °C. Die LED-Sperrschichttemperatur wird mit 105 °C angegeben. Die ESD-Einstufung des menschlichen Körpers beträgt 3000 kV. Diese Spezifikationen weisen auf ein robustes Design hin, das in medizinischen Innenanwendungen zuverlässig funktionieren sollte.

Die PPG-Technologie wurde erstmals in den 1930er Jahren erforscht und heute gibt es eine Reihe von medizinischen Geräten und Wearables auf dem Markt. Laut einer Prognose von Medgadget vom 4. April 2020 wurde der weltweite Markt für medizinische Wearables im Jahr 2019 auf fast 13 Milliarden US-Dollar geschätzt und wird bis 2025 voraussichtlich fast 38 Milliarden US-Dollar erreichen.

Wearables wie der Oura-Ring sind jedoch kein Allheilmittel. Es gibt einige Bedenken hinsichtlich der Produktwirksamkeit, von denen die wichtigste die geringe Anzahl von Studien ist, die bisher zur Vorhersagefähigkeit von tragbaren Geräten im Allgemeinen durchgeführt wurden. Andere intrinsische Mängel sind die Messgenauigkeit, die hauptsächlich mit durch Bewegung eingeführten Variationen zu tun hat, die die Vorhersagefähigkeit des KI-Modells beeinträchtigen würden, sowie der Zeitpunkt des Auftretens von COVID-19-Symptomen vs. der Spitzenübertragung, die möglicherweise nicht zusammenfallen. Die FDA hat bisher keine tragbaren Geräte zum Zweck der COVID-19-Erkennung zugelassen.

>> Dieser Artikel wurde ursprünglich veröffentlicht am unsere Schwesterseite EDN.