Los sensores especializados son compatibles con los wearables sanitarios

La sinergia entre la tecnología portátil y los dispositivos médicos es clara y está presente, como lo demuestra el Apple Watch Series 4, que llegó con la autorización de la Administración de Alimentos y Medicamentos (FDA) para varias capacidades de monitoreo cardíaco. Una historia similar está tomando forma en diseños audibles equipados con capacidades de realidad aumentada (AR) y realidad virtual (VR).

En esta aplicación, pequeños sensores, junto con la comunicación por cable o inalámbrica, identifican situaciones anormales e inesperadas al registrar factores psicológicos y otras indicaciones. Sin embargo, los dispositivos médicos portátiles altamente miniaturizados requieren una mejora significativa en las capacidades de detección porque los monitores de salud y estado físico exigen una mayor precisión en la medición de datos biométricos humanos, como la temperatura corporal y la frecuencia cardíaca.

Un sensor médico portátil, que usan las personas para registrar información sobre la salud y el estado físico, puede monitorear las señales corporales, como la presión arterial, los latidos del corazón y otras actividades metabólicas. Estos sensores portátiles brindan información vital sobre los cambios biológicos y psicológicos en el cuerpo, mientras monitorean el tratamiento en curso para los trastornos cardiovasculares, neurológicos y pulmonares, por ejemplo, asma, hipertensión, etc.

Fig. 1:Los sensores de grado médico son cruciales en los diseños portátiles por su papel en la creación de sistemas de monitoreo avanzados. (Imagen:ams)

Este artículo describe tres consideraciones de diseño principales para los desarrolladores de dispositivos sanitarios portátiles cuando seleccionan e integran pequeños sensores en sus diseños portátiles. El proceso comienza con la sensibilidad y precisión de los dispositivos sensores.

Precisión de las medidas del sensor

Si bien la precisión es una consideración primordial para los sensores en general, presenta un desafío de diseño particular porque los dispositivos portátiles son pequeños y se usan en el cuerpo. Pueden sufrir autocalentamiento térmico y contacto corporal constante, lo que afecta la precisión en la medición de los signos vitales, como la temperatura, la frecuencia cardíaca y la saturación de oxígeno en sangre (SpO ₂ ).

El AS7026 sensor óptico de ams ( Fig.1 ) utiliza algoritmos sofisticados para garantizar la precisión de la frecuencia cardíaca, la variabilidad de la frecuencia cardíaca, el electrocardiograma (ECG) y las mediciones de la presión arterial en rastreadores de actividad física y relojes inteligentes.

Los fabricantes de circuitos integrados de sensores están realizando avances para hacer frente a estos desafíos. Por ejemplo, BH1790GLC de Rohm Semiconductor El sensor óptico para el monitoreo de la frecuencia cardíaca, optimizado para dispositivos portátiles como bandas deportivas y relojes inteligentes, mejora la sensibilidad al permitir que las ondas de pulso se detecten con alta precisión, incluso con un brillo de LED bajo.

Además, el MAX30208 El sensor de temperatura digital de Maxim Integrated elimina el autocalentamiento térmico al tiempo que ofrece una precisión de ± 0,1 ° C en el rango de 30 ° C a 50 ° C. El sensor de temperatura de grado clínico cancela la luz ambiental para una mayor precisión y emplea algoritmos de compensación de movimiento para aumentar la precisión de la medición.

El enigma de la energía de los sensores portátiles

La incorporación de la monitorización de la frecuencia cardíaca en relojes inteligentes y pulseras deportivas ha sido un desafío debido a la capacidad limitada de la batería. En otras palabras, los sensores ópticos para el monitoreo de la frecuencia cardíaca requieren una reducción significativa en el consumo de energía para extender el tiempo de funcionamiento de los dispositivos portátiles.

Tome el ejemplo de MAXM86161 de Maxim Integrated monitor de frecuencia cardíaca y oxímetro de pulso en el oído destinados a dispositivos audibles y otras aplicaciones portátiles. El sensor viene integrado con un front-end analógico (AFE), que elimina la necesidad de un chip separado y de conectarlo al módulo óptico. Maxim Integrated afirma que el sensor MAXM86161 consume aproximadamente un 35% menos de energía que su competidor más cercano con menos de 10 μA en modo operativo y 1,6 μA en modo apagado.

Aquí, es importante tener en cuenta que el ahorro de energía y la miniaturización van de la mano cuando se trata de sensores que sirven al mercado de dispositivos médicos. El monitor de frecuencia cardíaca intrauditivo MAXM86161 viene en un paquete OLGA que mide 2,9 x 4,3 x 1,4 mm e incluye tres LED:rojo e infrarrojo para SpO ₂ medición y verde para frecuencia cardíaca.

Los chips AFE biopotenciales que son más pequeños, más livianos y menos molestos están disponibles para los dispositivos de monitoreo cardíaco para garantizar que los dispositivos portátiles no sean desagradables para los pacientes y que ofrezcan una mayor duración de la batería. El AD8233 El chip de Analog Devices Inc. (ADI) ha sido diseñado como un extremo frontal de ECG que reduce el consumo de energía a microamperios al presentar una corriente de reposo típica de 50 μA.

Plataformas de sensores para wearables médicos

Al igual que con otros diseños portátiles, se ofrecen plataformas de sensores modulares para facilitar soluciones listas para usar para dispositivos médicos. Por ejemplo, el Aistin Blue El kit de desarrollo de iProtoXi incluye muestras de aplicaciones para el seguimiento de la actividad física y el estado físico. Incorpora los últimos sensores de Kionix, ahora parte de Rohm Semiconductor. El kit incluye la evaluación del sensor de Windows Kionix software que simplifica la configuración del sensor y la adquisición de datos.

Otro ejemplo es el MAXREFDES101 Health Sensor Platform 2.0 de Maxim Integrated ( Fig. 2 ) que facilita la creación rápida de prototipos, la evaluación y el desarrollo para un control preciso de la temperatura corporal, la frecuencia cardíaca y el ECG. Consta de una caja de reloj que alberga una pantalla, una batería, una placa micro y una placa de sensores.

Fig. 2:La plataforma repleta de sensores para dispositivos de muñeca facilita las mediciones de ECG, frecuencia cardíaca y temperatura. (Imagen:Maxim Integrated)

La placa de sensor incluye un sensor óptico, un AFE de biopotencial y bioimpedancia integrados, un sensor de temperatura y un concentrador de sensor biométrico. Aquí, el MAX32664 El concentrador de sensores biométricos simplifica el proceso de desarrollo al proporcionar firmware y algoritmos integrados, además de permitir una comunicación fluida con los sensores ópticos.

Health Sensor Platform 2.0 admite diseños portátiles que van desde relojes deportivos hasta monitores de ECG y rastreadores de actividad física. También permite a los desarrolladores realizar sus propios análisis y evaluación de algoritmos integrados.

La función de los algoritmos de sensores

Los biosensores dentro de los relojes inteligentes, los rastreadores de actividad física y otros dispositivos médicos deben ser muy precisos para monitorear varios parámetros de salud. Uno de los tipos más comunes de biosensores, un sensor óptico, es un buen ejemplo. Interactúa con fuentes de luz coherentes y no coherentes, que pueden absorberse, reflejarse y dispersarse o dispersarse, alterando la precisión de la señal del sensor.

Por lo tanto, los sensores ópticos vienen integrados con algoritmos de monitoreo de signos vitales, lo que garantiza que la cancelación de luz ambiental y otros desafíos de cancelación de movimiento se aborden de manera adecuada. En segundo lugar, como se mencionó anteriormente, los sensores médicos deben ofrecer factores de forma muy pequeños para que se adapten bien a dispositivos portátiles pequeños y consuman un mínimo de energía.

Por último, la disponibilidad de diseños de referencia y kits de desarrollo puede ahorrar meses de trabajo de desarrollo a los ingenieros de diseño de dispositivos portátiles, al tiempo que ofrece herramientas avanzadas para la integración simple de nuevos sensores. Todo está sucediendo ahora con la adopción de sistemas de monitoreo avanzados en sensores portátiles.