Sensores especializados suportam wearables de saúde

A sinergia entre a tecnologia vestível e os dispositivos médicos é clara e presente, conforme demonstrado pelo Apple Watch Series 4, que veio com a autorização da Food and Drug Administration (FDA) para vários recursos de monitoramento cardíaco. Uma história semelhante está tomando forma em designs audíveis equipados com recursos de realidade aumentada (AR) e realidade virtual (VR).

Nesta aplicação, minúsculos sensores, junto com a comunicação com ou sem fio, identificam situações anormais e inesperadas registrando fatores psicológicos e outras indicações. No entanto, os dispositivos médicos vestíveis altamente miniaturizados exigem um aprimoramento significativo nas capacidades de detecção porque os monitores de saúde e condicionamento físico exigem maior precisão na medição da biometria humana, como temperatura corporal e frequência cardíaca.

Um sensor médico vestível, usado por indivíduos para registrar informações de saúde e condicionamento físico, pode monitorar os sinais do corpo, como pressão arterial, batimento cardíaco e outras atividades metabólicas. Esses sensores vestíveis fornecem informações vitais sobre mudanças biológicas e psicológicas no corpo, enquanto monitoram o tratamento em andamento para doenças cardiovasculares, neurológicas e pulmonares - por exemplo, asma, hipertensão, etc.

Fig. 1:Sensores de grau médico são cruciais em designs de vestíveis por sua função na criação de sistemas de monitoramento avançados. (Imagem:ams)

Este artigo descreve três considerações de design principais para desenvolvedores de dispositivos de saúde vestíveis, à medida que eles selecionam e integram sensores minúsculos em seus designs portáteis. O processo começa com a sensibilidade e precisão dos dispositivos sensores.

Precisão das medições do sensor

Embora a precisão seja uma consideração primordial para sensores em geral, ela apresenta um desafio de design específico porque os dispositivos vestíveis são pequenos e usados ​​no corpo. Eles podem sofrer de autoaquecimento térmico e toque corporal constante, o que afeta a precisão na medição dos sinais vitais, como temperatura, frequência cardíaca e saturação de oxigênio no sangue (SpO ₂ )

O AS7026 sensor óptico da ams ( Fig.1 ) usa algoritmos sofisticados para garantir a precisão da frequência cardíaca, variabilidade da frequência cardíaca, eletrocardiograma (ECG) e medições de pressão arterial em rastreadores de fitness e smartwatches.

Os fabricantes de sensores IC estão fazendo avanços para atender a esses desafios. Por exemplo, BH1790GLC da Rohm Semiconductor sensor óptico para monitoramento de freqüência cardíaca - otimizado para dispositivos vestíveis como pulseiras esportivas e smartwatches - melhora a sensibilidade, permitindo que as ondas de pulso sejam detectadas com alta precisão, mesmo com baixo brilho do LED.

Além disso, o MAX30208 O sensor de temperatura digital da Maxim Integrated elimina o autoaquecimento térmico enquanto oferece precisão de ± 0,1 ° C na faixa de 30 ° C a 50 ° C. O sensor de temperatura de nível clínico cancela a luz ambiente para maior precisão e emprega algoritmos para compensação de movimento para aumentar a precisão da medição.

Enigma da energia dos sensores vestíveis

A incorporação do monitoramento da frequência cardíaca em smartwatches e bandas esportivas tem sido um desafio devido à capacidade limitada da bateria. Em outras palavras, os sensores ópticos para monitoramento da frequência cardíaca requerem uma redução significativa no consumo de energia para estender o tempo de operação dos dispositivos vestíveis.

Veja o exemplo do MAXM86161 da Maxim Integrated monitor de frequência cardíaca intra-auricular e oxímetro de pulso voltado para aparelhos auditivos e outras aplicações vestíveis. O sensor vem integrado com um front-end analógico (AFE), o que elimina a necessidade de um chip separado e de conectá-lo ao módulo óptico. A Maxim Integrated afirma que o sensor MAXM86161 consome aproximadamente 35% menos energia do que seu concorrente mais próximo, com menos de 10 μA em modo de operação e 1,6 μA em modo de desligamento.

Aqui, é importante observar que a economia de energia e a miniaturização andam de mãos dadas quando se trata de sensores que atendem ao mercado de vestíveis médicos. O monitor de freqüência cardíaca intra-auricular MAXM86161 vem em um pacote OLGA medindo 2,9 x 4,3 x 1,4 mm e inclui três LEDs:vermelho e infravermelho para SpO ₂ medição e verde para frequência cardíaca.

Chips AFE biopotenciais que são menores, mais leves e menos intrusivos estão disponíveis para dispositivos de monitoramento cardíaco para garantir que os dispositivos vestíveis não sejam desagradáveis ​​para os pacientes e oferecem uma vida útil mais longa da bateria. O AD8233 O chip da Analog Devices Inc. (ADI) foi projetado como um front end de ECG que reduz o consumo de energia para microampères, apresentando uma corrente quiescente típica de 50 μA.

Plataformas de sensores para vestíveis médicos

Tal como acontece com outros designs portáteis, plataformas de sensores modulares são oferecidas para facilitar soluções out-of-the-box para wearables médicos. Por exemplo, o Aistin Blue O kit de desenvolvimento da iProtoXi vem com exemplos de aplicativos para rastreamento de atividades físicas e atividades físicas. Ele incorpora os sensores mais recentes da Kionix, agora parte da Rohm Semiconductor. O kit inclui a Avaliação do sensor Kionix Windows software que simplifica a configuração do sensor e aquisição de dados.

Outro exemplo é o MAXREFDES101 Health Sensor Platform 2.0 da Maxim Integrated ( Fig. 2 ) que facilita a prototipagem, avaliação e desenvolvimento rápidos para monitoramento preciso da temperatura corporal, frequência cardíaca e ECG. É composto por um gabinete de relógio que abriga um display, bateria, micro placa e placa do sensor.

Fig. 2:A plataforma com sensores para dispositivos usados ​​no pulso facilita as medições de ECG, frequência cardíaca e temperatura. (Imagem:Maxim Integrated)

A placa do sensor inclui um sensor óptico, um AFE de bioimpedância e biopotencial integrado, um sensor de temperatura e um hub de sensor biométrico. Aqui, o MAX32664 O hub de sensor biométrico simplifica o processo de desenvolvimento ao fornecer firmware e algoritmos integrados, além de permitir a comunicação contínua com os sensores ópticos.

A Health Sensor Platform 2.0 suporta designs vestíveis que variam de relógios esportivos a monitores de ECG e rastreadores de condicionamento físico. Ele também permite que os desenvolvedores conduzam suas próprias análises e avaliações de algoritmos integrados.

A função dos algoritmos do sensor

Biossensores dentro de smartwatches, rastreadores de fitness e outros vestíveis médicos devem ser altamente precisos no monitoramento de vários parâmetros de saúde. Um dos tipos mais comuns de biossensores, um sensor óptico, é um bom exemplo. Ele interage com fontes de luz coerentes e não coerentes, que podem ser absorvidas, refletidas e espalhadas ou dispersas, alterando a precisão do sinal do sensor.

Portanto, os sensores ópticos vêm integrados com algoritmos de monitoramento de sinais vitais, garantindo que o cancelamento da luz ambiente e outros desafios de cancelamento de movimento sejam tratados de forma adequada. Em segundo lugar, como mencionado acima, os sensores médicos devem oferecer fatores de forma extremamente pequenos para que possam se encaixar bem em vestíveis minúsculos e consumir energia mínima.

Por fim, a disponibilidade de designs de referência e kits de desenvolvimento pode economizar meses de trabalho de desenvolvimento para engenheiros de design de wearable, ao mesmo tempo que fornece ferramentas avançadas para a integração simples de novos sensores. Tudo está acontecendo agora com a adoção de sistemas de monitoramento avançados em sensores vestíveis.