Sensores Avançados Impulsionam Wearables de Saúde: Da Frequência Cardíaca à Precisão de Temperatura

A sinergia entre tecnologia vestível e dispositivos médicos é clara e presente, como demonstrado pelo Apple Watch Series 4, que obteve autorização do FDA (Food and Drug Administration) para diversos recursos de monitoramento cardíaco. Uma história semelhante está tomando forma em designs de hearables equipados com capacidades de realidade aumentada (AR) e realidade virtual (VR).

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

Um sensor médico vestível, usado por indivíduos para registrar informações de saúde e fitness, pode monitorar sinais corporais, como pressão arterial, batimentos cardíacos e outras atividades metabólicas. Esses sensores vestíveis fornecem informações vitais sobre mudanças biológicas e psicológicas no corpo, enquanto monitoram o tratamento contínuo para distúrbios cardiovasculares, neurológicos e pulmonares – por exemplo, asma, hipertensão, etc.

Fig. 1: Sensores de grau médico são cruciais em designs vestíveis para criar sistemas avançados de monitoramento. (Imagem: ams)

Este artigo descreve três considerações principais de design para desenvolvedores de dispositivos vestíveis de saúde ao selecionar e integrar minúsculos sensores em seus designs portáteis. O processo começa com a sensibilidade e precisão dos dispositivos sensores.

Precisão das Medidas dos Sensores

Embora a precisão seja uma consideração primordial para sensores em geral, ela apresenta um desafio de design particular porque dispositivos vestíveis são pequenos e usados no corpo. Eles podem sofrer de autoaquecimento térmico e toque constante do corpo, o que afeta a precisão na medição de sinais vitais, como temperatura, frequência cardíaca e saturação de oxigênio no sangue (SpO₂).

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

Fabricantes de sensor IC estão fazendo avanços para enfrentar esses desafios. Por exemplo, o sensor óptico BH1790GLC da Rohm Semiconductor para monitoramento de frequência cardíaca – otimizado para dispositivos vestíveis como pulseiras esportivas e smartwatches – melhora a sensibilidade permitindo que ondas de pulso sejam detectadas com alta precisão, mesmo com baixo brilho de LED.

Além disso, o sensor de temperatura digital MAX30208 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 grau clínico cancela luz ambiente para maior precisão e emprega algoritmos para compensação de movimento para aumentar a precisão da medição.

O Dilema de Potência dos Sensores Vestíveis

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

Tome o exemplo do MAXM86161 da Maxim Integrated, monitor de frequência cardíaca in-ear e oxímetro de pulso direcionado a hearables e outras aplicações vestíveis. O sensor vem integrado com um front-end analógico (AFE), o que elimina a necessidade de um chip separado e sua conexão ao módulo óptico. A Maxim Integrated afirma que o sensor MAXM86161 consome aproximadamente 35% menos energia que seu concorrente mais próximo, com menos de 10 µA no modo de operação e 1,6 µA no modo desligado.

Aqui, é importante notar que economia de energia e miniaturização andam de mãos dadas quando se trata de sensores servindo ao mercado de wearables médicos. O monitor de frequência cardíaca in-ear MAXM86161 vem em um pacote OLGA medindo 2,9 x 4,3 x 1,4 mm e inclui três LEDs: vermelho e infravermelho para medição de SpO₂ e verde para frequência cardíaca.

Chips AFE de biopotencial menores, mais leves e menos intrusivos estão disponíveis para dispositivos de monitoramento cardíaco para garantir que dispositivos vestíveis não sejam desagradáveis para pacientes e ofereçam maior duração de bateria. O chip AD8233 da Analog Devices Inc. (ADI) foi projetado como um front-end ECG que reduz o consumo de energia para microamps, apresentando uma corrente de repouso típica de 50 µA.

Plataformas de Sensores para Wearables Médicos

Assim como outros designs portáteis, plataformas de sensores modulares são oferecidas para facilitar soluções out-of-the-box para wearables médicos. Por exemplo, o kit de desenvolvimento Aistin Blue da iProtoXi vem com amostras de aplicação para fitness e rastreamento de atividade. Ele incorpora os sensores mais recentes da Kionix, agora parte da Rohm Semiconductor. O kit inclui o software Kionix Windows Sensor Evaluation que simplifica configuração de sensores e aquisição de dados.

Outro exemplo é a MAXREFDES101 Health Sensor Platform 2.0 da Maxim Integrated (Fig. 2) que facilita prototipagem rápida, avaliação e desenvolvimento para monitoramento preciso de temperatura corporal, frequência cardíaca e ECG. Ela compreende uma caixa de relógio que abriga display, bateria, micro placa e placa de sensor.

Fig. 2: A plataforma repleta de sensores para dispositivos de pulso facilita medições de ECG, frequência cardíaca e temperatura. (Imagem: Maxim Integrated)

A placa de sensor inclui um sensor óptico, um AFE integrado de biopotencial e bioimpedância, um sensor de temperatura e um hub de sensor biométrico. Aqui, o hub de sensor biométrico MAX32664 simplifica o processo de desenvolvimento fornecendo firmware e algoritmos embarcados, bem como permitindo comunicação perfeita com os sensores ópticos.

A Health Sensor Platform 2.0 suporta designs vestíveis que variam de relógios esportivos, a monitores ECG, a fitness trackers. Também permite que desenvolvedores realizem suas próprias análises e avaliação de algoritmos embarcados.

O Papel dos Algoritmos de Sensores

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

Portanto, sensores ópticos vêm integrados com algoritmos de monitoramento de sinais vitais, garantindo que cancelamento de luz ambiente e outros desafios de cancelamento de movimento sejam abordados adequadamente. Segundo, como mencionado acima, sensores médicos devem oferecer fatores de forma altamente pequenos para que se encaixem bem em wearables minúsculos e consumam energia mínima.

Finalmente, a disponibilidade de designs de referência e kits de desenvolvimento pode economizar meses de trabalho de desenvolvimento para engenheiros de design vestível, enquanto fornece ferramentas avançadas para a integração simples de novos sensores. Tudo isso está acontecendo agora com a adoção de sistemas avançados de monitoramento em sensores vestíveis.