Fortschrittliche Sensoren ermöglichen Wearable Health Tech: Von Herzfrequenz bis Temperaturgenauigkeit

Die Synergie zwischen Wearable-Technologie und Medizinprodukten ist evident, wie die Apple Watch Series 4 zeigt, die mit FDA-Zulassung für verschiedene kardiale Überwachungsfunktionen kam. Eine ähnliche Entwicklung zeichnet sich bei Hearable-Designs mit Augmented Reality (AR) und Virtual Reality (VR) Fähigkeiten ab.

In dieser Anwendung identifizieren winzige Sensoren, zusammen mit kabelgebundener oder drahtloser Kommunikation, abnormale und unerwartete Situationen durch Aufzeichnung psychologischer Faktoren und anderer Indikatoren. Die hochminiaturisierten medizinischen Wearables erfordern jedoch eine erhebliche Verbesserung der Sensorkapazitäten, da Gesundheits- und Fitnessmonitore höhere Genauigkeit bei der Messung menschlicher Biometrie wie Körpertemperatur und Herzfrequenz verlangen.

Ein tragbarer medizinischer Sensor, der von Personen getragen wird, um Gesundheits- und Fitnessinformationen aufzuzeichnen, kann Körpersignale wie Blutdruck, Herzschlag und andere Stoffwechselaktivitäten überwachen. Diese Wearable-Sensoren liefern lebenswichtige Informationen über biologische und psychologische Veränderungen im Körper, während sie die laufende Behandlung von kardiovaskulären, neurologischen und pulmonalen Erkrankungen überwachen – zum Beispiel Asthma, Hypertonie etc.

Abb. 1: Medizinische Sensoren sind in Wearable-Designs entscheidend für ihre Rolle bei der Erstellung fortschrittlicher Überwachungssysteme. (Bild: ams)

Dieser Artikel skizziert drei wichtige Designüberlegungen für Entwickler von Wearable-Gesundheitsgeräten bei der Auswahl und Integration winziger Sensoren in ihre tragbaren Designs. Der Prozess beginnt mit der Empfindlichkeit und Genauigkeit der Sensorgeäte.

Genauigkeit der Sensormessungen

Während Genauigkeit generell eine primäre Überlegung für Sensoren ist, stellt sie eine besondere Designherausforderung dar, da Wearable-Geräte klein sind und am Körper getragen werden. Sie können unter thermischer Selbstaufheizung und ständigem Körperkontakt leiden, was die Genauigkeit bei der Messung von Vitalzeichen wie Temperatur, Herzfrequenz und Blutsauerstoffsättigung (SpO₂) beeinträchtigt.

Der AS7026 optische Sensor von ams (Abb. 1) nutzt ausgefeilte Algorithmen, um die Genauigkeit von Herzfrequenz, Herzfrequenzvariabilität, Elektrokardiogramm (EKG) und Blutdruckmessungen in Fitness-Trackern und Smartwatches zu gewährleisten.

Sensor-IC-Hersteller machen Fortschritte, um diese Herausforderungen zu meistern. Beispielsweise verbessert Rohm Semiconductors BH1790GLC optischer Sensor für Herzfrequenzüberwachung – optimiert für Wearables wie Sportbänder und Smartwatches – die Empfindlichkeit, indem er Pulswellen mit hoher Genauigkeit detektiert, selbst bei niedriger LED-Helligkeit.

Außerdem eliminiert der MAX30208 digitale Temperatursensor von Maxim Integrated thermische Selbstaufheizung, während er ±0,1 °C Genauigkeit im Bereich von 30 °C bis 50 °C liefert. Der klinische Temperatursensor unterdrückt Umgebungslicht für höhere Genauigkeit und nutzt Algorithmen zur Bewegungskompensation, um die Messgenauigkeit zu erhöhen.

Das Energie-Dilemma bei Wearable-Sensoren

Die Integration von Herzfrequenzüberwachung in Smartwatches und Sportbänder war aufgrund begrenzter Batteriekapazität eine Herausforderung. Optische Sensoren für Herzfrequenzüberwachung erfordern eine signifikante Reduzierung des Stromverbrauchs, um die Betriebszeit von Wearables zu verlängern.

Nehmen wir das Beispiel von Maxim Integrats MAXM86161 In-Ear-Herzfrequenzmonitor und Pulsoximeter, gezielt für Hearables und andere Wearable-Anwendungen. Der Sensor kommt mit integriertem Analog-Front-End (AFE), was den Bedarf an einem separaten Chip und dessen Anbindung an das optische Modul eliminiert. Maxim Integrated behauptet, dass der MAXM86161-Sensor etwa 35 % weniger Strom verbraucht als der nächstbeste Wettbewerber – mit weniger als 10 µA im Betriebsmodus und 1,6 µA im Shutdown-Modus.

Hier ist wichtig anzumerken, dass Energieeinsparung und Miniaturisierung Hand in Hand gehen bei Sensoren für den medizinischen Wearables-Markt. Der MAXM86161 In-Ear-Herzfrequenzmonitor kommt in einem OLGA-Gehäuse von 2,9 x 4,3 x 1,4 mm und beinhaltet drei LEDs: rot und infrarot für SpO₂-Messung und grün für Herzfrequenz.

Biopotenzial-AFE-Chips, die kleiner, leichter und weniger aufdringlich sind, stehen für kardiale Überwachungsgeräte zur Verfügung, um sicherzustellen, dass Wearables für Patienten nicht unangenehm sind und längere Batterielebensdauer bieten. Der AD8233 Chip von Analog Devices Inc. (ADI) wurde als EKG-Frontend entwickelt, das den Stromverbrauch auf Mikroampere senkt, mit einem typischen Ruhestrom von 50 µA.

Sensorplattformen für medizinische Wearables

Wie bei anderen tragbaren Designs werden modulare Sensorplattformen angeboten, um Out-of-the-box-Lösungen für medizinische Wearables zu erleichtern. Beispielsweise kommt das Aistin Blue Entwicklungs-Kit von iProtoXi mit Applikationsbeispielen für Fitness- und Aktivitäts-Tracking. Es integriert die neuesten Sensoren von Kionix, nun Teil von Rohm Semiconductor. Das Kit beinhaltet die Kionix Windows Sensor Evaluation Software, die Sensorkonfiguration und Datenerfassung vereinfacht.

Ein weiteres Beispiel ist die MAXREFDES101 Health Sensor Platform 2.0 von Maxim Integrated (Abb. 2), die schnelles Prototyping, Evaluierung und Entwicklung für präzise Überwachung von Körpertemperatur, Herzfrequenz und EKG ermöglicht. Sie umfasst ein Uhrengehäuse, das Display, Batterie, Micro-Board und Sensor-Board beherbergt.

Abb. 2: Die sensorreiche Plattform für Handgelenk-Geräte erleichtert Messungen für EKG, Herzfrequenz und Temperatur. (Bild: Maxim Integrated)

Das Sensor-Board beinhaltet einen optischen Sensor, ein integriertes Biopotenzial- und Bioimpedanz-AFE, einen Temperatursensor und einen biometrischen Sensor-Hub. Hier vereinfacht der MAX32664 biometrische Sensor-Hub den Entwicklungsprozess, indem er eingebettete Firmware und Algorithmen bereitstellt sowie nahtlose Kommunikation mit den optischen Sensoren ermöglicht.

Die Health Sensor Platform 2.0 unterstützt Wearable-Designs von Sportuhren über EKG-Monitore bis hin zu Fitness-Trackern. Sie ermöglicht Entwicklern auch eigene Analysen und Evaluierung der Onboard-Algorithmen.

Die Rolle von Sensor-Algorithmen

Biosensoren in Smartwatches, Fitness-Trackern und anderen medizinischen Wearables müssen hochgenau verschiedene Gesundheitsparameter überwachen. Einer der häufigsten Biosensor-Typen, der optische Sensor, ist ein Beispiel dafür. Er interagiert mit kohärenten und inkohärenten Lichtquellen, die absorbiert, reflektiert, gestreut oder dispersiert werden können, was die Sensorsignal-Genauigkeit verändert.

Daher werden optische Sensoren mit Vitalzeichen-Überwachungs-Algorithmen integriert, die sicherstellen, dass Umgebungslicht-Unterdrückung und andere Bewegungsartefakt-Herausforderungen adäquat adressiert werden. Zweitens, wie oben erwähnt, sollten medizinische Sensoren hochkleine Formfaktoren bieten, damit sie gut in winzige Wearables passen und minimalen Strom verbrauchen.

Schließlich können die Verfügbarkeit von Referenzdesigns und Entwicklungs-Kits Entwicklungsingenieuren Monate an Entwicklungsarbeit ersparen, während sie fortschrittliche Tools für die einfache Integration neuer Sensoren liefern. All das geschieht jetzt mit der Einführung fortschrittlicher Überwachungssysteme in Wearable-Sensoren.