Продвинутые датчики расширяют возможности носимой медтехнологии: от частоты сердечных сокращений к точности температуры

Синергия между носимыми технологиями и медицинскими устройствами очевидна и присутствует, как показывает Apple Watch Series 4, получившая одобрение FDA на различные возможности кардиологического мониторинга. Аналогичная история складывается в проектах hearable-устройств с дополненной (AR) и виртуальной (VR) реальностью.

В этом применении крошечные датчики вместе с проводной или беспроводной связью выявляют ненормальные и неожиданные ситуации, записывая психологические факторы и другие индикаторы. Однако высоко миниатюризированные медицинские носимые устройства требуют значительного повышения сенсорных возможностей, поскольку мониторы здоровья и фитнеса требуют большей точности измерения биометрии человека, такой как температура тела и частота сердечных сокращений.

Носимый медицинский датчик, надеваемый человеком для записи информации о здоровье и фитнесе, может отслеживать сигналы тела: артериальное давление, пульс и другие метаболические активности. Эти носимые датчики предоставляют жизненно важную информацию о биологических и психологических изменениях в теле, одновременно мониторя текущее лечение сердечно-сосудистых, неврологических и пульмонарных расстройств — например, астмы, гипертонии и др.

Рис. 1: Медицинские датчики критически важны в носимых конструкциях для создания продвинутых систем мониторинга. (Изображение: ams)

В этой статье описаны три главные проектные考量 для разработчиков носимых медицинских устройств при выборе и интеграции крошечных датчиков в портативные конструкции. Процесс начинается с чувствительности и точности сенсорных устройств.

Точность измерений датчиков

Хотя точность является первичным consideration для датчиков в целом, она представляет особую конструктивную проблему, потому что носимые устройства малы и носятся на теле. Они могут страдать от термического самонагрева и постоянного контакта с телом, что влияет на точность измерения жизненно важных показателей: температуры, частоты сердечных сокращений и насыщения кислородом крови (SpO₂).

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

Производители сенсорных IC достигают прогресса в решении этих задач. Например, оптический датчик BH1790GLC от Rohm Semiconductor для мониторинга частоты сердечных сокращений — оптимизированный для носимых устройств вроде спортивных браслетов и смарт-часов — повышает чувствительность, позволяя обнаруживать пульсовые волны с высокой точностью даже при низкой яркости LED.

Также цифровой датчик температуры MAX30208 от Maxim Integrated устраняет термический самонагрев, обеспечивая точность ±0,1 °C в диапазоне 30–50 °C. Клинический датчик температуры компенсирует окружающий свет для большей точности и использует алгоритмы компенсации движения для повышения точности измерений.

Проблема питания носимых датчиков

Внедрение мониторинга частоты сердечных сокращений в смарт-часы и спортивные браслеты было сложным из-за ограниченной емкости батареи. Другими словами, оптические датчики для мониторинга пульса требуют значительного снижения потребления энергии для увеличения времени работы носимых устройств.

В качестве примера рассмотрим MAXM86161 от Maxim Integrated — встроенный в ухо монитор частоты сердечных сокращений и пульсоксиметр, ориентированный на hearable и другие носимые приложения. Датчик поставляется с интегрированным аналоговым фронтендом (AFE), что исключает необходимость в отдельной чипе и подключении его к оптическому модулю. Maxim заявляет, что датчик MAXM86161 потребляет примерно на 35% меньше энергии, чем ближайший конкурент: менее 10 мкА в рабочем режиме и 1,6 мкА в режиме выключения.

Важно отметить, что экономия энергии и миниатюризация идут рука об руку для датчиков, обслуживающих рынок медицинских носимых устройств. MAXM86161 в корпусе OLGA размером 2,9 × 4,3 × 1,4 мм включает три LED: красный и инфракрасный для измерения SpO₂ и зеленый для частоты сердечных сокращений.

Чипы AFE биопотенциала меньшего размера, легче и менее навязчивы доступны для устройств кардиологического мониторинга, чтобы носимые устройства не доставляли неудобств пациентам и предлагали более длительную жизнь батареи. Чип AD8233 от Analog Devices Inc. (ADI) спроектирован как фронтенд ЭКГ, снижающий потребление до микроампер за счет типичного тока покоя 50 мкА.

Сенсорные платформы для медицинских носимых устройств

Как и для других портативных конструкций, модульные сенсорные платформы предлагаются для обеспечения готовых решений для медицинских носимых устройств. Например, набор разработки Aistin Blue от iProtoXi поставляется с примерами приложений для фитнеса и отслеживания активности. Он включает последние датчики от Kionix, теперь часть Rohm Semiconductor. Набор включает программное обеспечение Kionix Windows Sensor Evaluation, упрощающее конфигурацию датчиков и сбор данных.

Другой пример — платформа MAXREFDES101 Health Sensor Platform 2.0 от Maxim Integrated (Рис. 2), облегчающая быструю прототипизацию, оценку и разработку для точного мониторинга температуры тела, частоты сердечных сокращений и ЭКГ. Она включает корпус часов с дисплеем, батареей, микроплатой и сенсорной платой.

Рис. 2: Насыщенная датчиками платформа для устройств на запястье облегчает измерения ЭКГ, частоты сердечных сокращений и температуры. (Изображение: Maxim Integrated)

Сенсорная плата включает оптический датчик, интегрированный биопотенциальный и биоимпедансный AFE, датчик температуры и биометрический сенсорный хаб. Здесь MAX32664 биометрический сенсорный хаб упрощает процесс разработки, предоставляя встроенную прошивку и алгоритмы, а также обеспечивая бесшовную связь с оптическими датчиками.

Health Sensor Platform 2.0 поддерживает носимые конструкции от спортивных часов до ЭКГ-мониторов и фитнес-трекеров. Также позволяет разработчикам проводить собственный анализ и оценку встроенных алгоритмов.

Роль сенсорных алгоритмов

Биодатчики внутри смарт-часов, фитнес-трекеров и других медицинских носимых устройств должны быть высокоточными в мониторинге различных параметров здоровья. Один из самых распространенных типов биодатчиков — оптический датчик — служит примером. Он взаимодействует с когерентными и некогерентными источниками света, которые могут поглощаться, отражаться, рассеиваться или диспергироваться, изменяя точность сигнала датчика.

Поэтому оптические датчики поставляются с интегрированными алгоритмами мониторинга жизненно важных признаков, обеспечивающими адекватное решение проблем отмены окружающего света и других проблем компенсации движения. Во-вторых, как упоминалось выше, медицинские датчики должны предлагать сверхмалые форм-факторы, чтобы хорошо вписываться в крошечные носимые устройства и потреблять минимальную энергию.

Наконец, наличие референс-дизайнов и наборов разработки может сэкономить месяцы работы инженерам носимых устройств, предоставляя продвинутые инструменты для простой интеграции новых датчиков. Всё это происходит сейчас с принятием передовых систем мониторинга в носимых датчиках.