Специализированные датчики для носимых медицинских устройств

Синергия между носимыми технологиями и медицинскими устройствами очевидна и очевидна, о чем свидетельствуют Apple Watch Series 4, которые получили разрешение Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) на различные возможности сердечного мониторинга. Похожая история складывается в наушниках, оснащенных возможностями дополненной реальности (AR) и виртуальной реальности (VR).

В этом приложении крошечные датчики, наряду с проводной или беспроводной связью, выявляют ненормальные и неожиданные ситуации, регистрируя психологические факторы и другие признаки. Однако очень миниатюрные медицинские носимые устройства требуют значительного улучшения сенсорных возможностей, поскольку медицинские и фитнес-мониторы требуют большей точности при измерении биометрических параметров человека, таких как температура тела и частота сердечных сокращений.

Носимый медицинский датчик, который люди носят для записи информации о состоянии здоровья и фитнесе, может отслеживать сигналы тела, такие как артериальное давление, сердцебиение и другие метаболические процессы. Эти носимые датчики предоставляют жизненно важную информацию о биологических и психологических изменениях в организме, одновременно отслеживая текущее лечение сердечно-сосудистых, неврологических и легочных заболеваний, например астмы, гипертонии и т. Д.

Рис. 1:Датчики медицинского класса имеют решающее значение в носимых конструкциях, поскольку они играют роль в создании передовых систем мониторинга. (Изображение:AMS)

В этой статье излагаются три основных соображения, которые следует учитывать разработчикам носимых медицинских устройств, когда они выбирают и интегрируют крошечные датчики в свои портативные устройства. Процесс начинается с чувствительности и точности сенсорных устройств.

Точность измерений сенсора

Хотя точность является основным критерием для датчиков в целом, она представляет собой особую проблему при проектировании, поскольку носимые устройства малы и носятся на теле. Они могут страдать от теплового самонагрева и постоянного прикосновения к телу, что влияет на точность измерения основных показателей жизнедеятельности, таких как температура, частота сердечных сокращений и сатурация крови кислородом (SpO ₂ ).

AS7026 оптический датчик от ams ( Рис.1 ) использует сложные алгоритмы для обеспечения точности измерения частоты сердечных сокращений, вариабельности сердечного ритма, электрокардиограммы (ЭКГ) и артериального давления на фитнес-трекерах и смарт-часах.

Производители сенсорных ИС делают все возможное, чтобы решить эти проблемы. Например, BH1790GLC от Rohm Semiconductor. оптический датчик для контроля сердечного ритма, оптимизированный для носимых устройств, таких как спортивные браслеты и умные часы, повышает чувствительность, позволяя с высокой точностью обнаруживать пульсовые волны даже при низкой яркости светодиодов.

Кроме того, MAX30208 цифровой датчик температуры от Maxim Integrated исключает самонагревание, обеспечивая точность ± 0,1 ° C в диапазоне от 30 ° C до 50 ° C. Датчик температуры клинического уровня подавляет окружающий свет для большей точности и использует алгоритмы компенсации движения для повышения точности измерения.

Проблема питания носимых датчиков

Включение контроля сердечного ритма в умные часы и спортивные браслеты оказалось проблемой из-за ограниченной емкости батареи. Другими словами, оптические датчики для мониторинга сердечного ритма требуют значительного снижения энергопотребления, чтобы увеличить время работы носимых устройств.

Возьмем, к примеру, MAXM86161 компании Maxim Integrated. внутриушной монитор сердечного ритма и пульсоксиметр, предназначенные для наушников и других носимых устройств. В датчик встроен аналоговый интерфейс (AFE), что устраняет необходимость в отдельном чипе и подключении его к оптическому модулю. Maxim Integrated утверждает, что датчик MAXM86161 потребляет примерно на 35% меньше энергии, чем его ближайший конкурент:менее 10 мкА в рабочем режиме и 1,6 мкА в режиме отключения.

Здесь важно отметить, что экономия энергии и миниатюризация идут рука об руку, когда речь идет о датчиках, используемых на рынке медицинских носимых устройств. Внутриканальный пульсометр MAXM86161 поставляется в корпусе OLGA размером 2,9 x 4,3 x 1,4 мм и включает три светодиода:красный и инфракрасный для SpO ₂ измерение, а зеленый - пульс.

Микросхемы AFE с биопотенциалом, которые меньше, легче и менее заметны, доступны для устройств кардиологического мониторинга, чтобы гарантировать, что носимые устройства не будут неприятными для пациентов, и обеспечивают более длительный срок службы батареи. AD8233 Микросхема от Analog Devices Inc. (ADI) была спроектирована как интерфейсный модуль ЭКГ, который снижает энергопотребление до микроампер благодаря типичному току покоя 50 мкА.

Сенсорные платформы для медицинских носимых устройств

Как и в случае с другими портативными конструкциями, предлагаются модульные сенсорные платформы для облегчения готовых решений для медицинских носимых устройств. Например, Aistin Blue В комплект разработчика iProtoXi входят образцы приложений для отслеживания физической формы и активности. Он включает в себя новейшие датчики от Kionix, которая теперь является частью Rohm Semiconductor. В комплект входит Kionix Windows Sensor Evaluation программное обеспечение, упрощающее настройку датчика и сбор данных.

Другой пример - MAXREFDES101 . Платформа датчиков здоровья 2.0 от Maxim Integrated ( Рис. 2 ), который упрощает быстрое создание прототипов, оценку и разработку для точного мониторинга температуры тела, частоты сердечных сокращений и ЭКГ. Он состоит из корпуса часов, в котором находятся дисплей, аккумулятор, микроплата и плата датчика.

Рис. 2:Платформа с датчиками для носимых на запястье устройств упрощает измерения ЭКГ, частоты сердечных сокращений и температуры. (Изображение:Maxim Integrated)

Плата датчика включает в себя оптический датчик, интегрированный AFE для измерения биопотенциала и биоимпеданса, датчик температуры и концентратор биометрических датчиков. Здесь MAX32664 Концентратор биометрических датчиков упрощает процесс разработки, предоставляя встроенное микропрограммное обеспечение и алгоритмы, а также обеспечивая беспрепятственный обмен данными с оптическими датчиками.

Платформа Health Sensor Platform 2.0 поддерживает различные носимые устройства - от спортивных часов до мониторов ЭКГ и фитнес-трекеров. Это также позволяет разработчикам проводить собственный анализ и оценку встроенных алгоритмов.

Роль сенсорных алгоритмов

Биосенсоры внутри умных часов, фитнес-трекеров и других медицинских носимых устройств должны обеспечивать высокую точность мониторинга различных параметров здоровья. Примером может служить один из наиболее распространенных типов биосенсоров - оптический датчик. Он взаимодействует с когерентными и некогерентными источниками света, которые могут поглощаться, отражаться, рассеиваться или рассеиваться, изменяя точность сигнала датчика.

Таким образом, оптические датчики интегрированы с алгоритмами контроля жизненно важных функций, что гарантирует адекватное устранение окружающего света и других проблем, связанных с подавлением движения. Во-вторых, как упоминалось выше, медицинские датчики должны иметь очень малые форм-факторы, чтобы они могли хорошо вписываться в крошечные носимые устройства и потреблять минимальную мощность.

Наконец, наличие эталонных дизайнов и комплектов для разработки может сэкономить месяцы разработки для инженеров-разработчиков носимых устройств, одновременно предоставляя расширенные инструменты для простой интеграции новых датчиков. Все это происходит сейчас, когда в носимых датчиках внедрены передовые системы мониторинга.