Sensores avanzados potencian wearables de salud: de la frecuencia cardíaca a la precisión en temperatura

La sinergia entre tecnología wearable y dispositivos médicos es clara y presente, como demuestra el Apple Watch Series 4, que obtuvo la autorización de la FDA (Food and Drug Administration) para diversas capacidades de monitorización cardíaca. Una historia similar está tomando forma en diseños hearable equipados con capacidades de realidad aumentada (AR) y realidad virtual (VR).

En esta aplicación, diminutos sensores, junto con comunicaciones cableadas o inalámbricas, identifican situaciones anormales e inesperadas registrando factores psicológicos y otras indicaciones. Sin embargo, los dispositivos wearable médicos altamente miniaturizados exigen una mejora significativa en las capacidades de detección porque los monitores de salud y fitness requieren mayor precisión en la medición de biométricos humanos, como la temperatura corporal y la frecuencia cardíaca.

Un sensor médico wearable, llevado por individuos para registrar información de salud y fitness, puede monitorizar señales corporales como presión arterial, latidos y otras actividades metabólicas. Estos sensores wearables proporcionan información vital sobre cambios biológicos y psicológicos en el cuerpo, mientras monitorizan el tratamiento continuo de trastornos cardiovasculares, neurológicos y pulmonares —por ejemplo, asma, hipertensión, etc.

Fig. 1: Los sensores de grado médico son cruciales en diseños wearable para crear sistemas de monitorización avanzados. (Imagen: ams)

Este artículo describe tres consideraciones principales de diseño para desarrolladores de dispositivos wearable de salud al seleccionar e integrar diminutos sensores en sus diseños portátiles. El proceso comienza con la sensibilidad y precisión de los dispositivos sensores.

Precisión de las mediciones del sensor

Si bien la precisión es una consideración principal para los sensores en general, presenta un desafío de diseño particular porque los dispositivos wearable son pequeños y se llevan en el cuerpo. Pueden sufrir auto‑calentamiento térmico y contacto corporal constante, lo que afecta la precisión en la medición de signos vitales como temperatura, frecuencia cardíaca y saturación de oxígeno en sangre (SpO₂).

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

Los fabricantes de IC de sensores están avanzando para enfrentar estos desafíos. Por ejemplo, el sensor óptico BH1790GLC de Rohm Semiconductor para monitorización de frecuencia cardíaca —optimizado para dispositivos wearable como bandas deportivas y smartwatches— mejora la sensibilidad permitiendo detectar ondas de pulso con alta precisión, incluso con bajo brillo del LED.

Además, el sensor de temperatura digital MAX30208 de Maxim Integrated elimina el auto‑calentamiento térmico mientras 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 mayor precisión y emplea algoritmos de compensación de movimiento para aumentar la exactitud de la medición.

El dilema energético de los sensores wearable

La incorporación de monitorización de frecuencia cardíaca en smartwatches y bandas deportivas ha sido un desafío debido a la capacidad limitada de la batería. En otras palabras, los sensores ópticos para monitorización de frecuencia cardíaca requieren una reducción significativa del consumo de energía para extender el tiempo de operación de los dispositivos wearable.

Tomemos el ejemplo del MAXM86161 de Maxim Integrated, monitor de frecuencia cardíaca in‑ear y oxímetro de pulso dirigido a hearables y otras aplicaciones wearable. El sensor viene integrado con un front‑end analógico (AFE), lo que elimina la necesidad de un chip separado y su conexión 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 notar que el ahorro energético y la miniaturización van de la mano cuando se trata de sensores para el mercado de wearables médicos. El monitor de frecuencia cardíaca in‑ear MAXM86161 viene en un paquete OLGA de 2,9 × 4,3 × 1,4 mm e incluye tres LEDs: rojo e infrarrojo para medición de SpO₂ y verde para frecuencia cardíaca.

Chips AFE de biopotencial más pequeños, ligeros y menos intrusivos están disponibles para dispositivos de monitorización cardíaca para garantizar que los dispositivos wearable no resulten desagradables para los pacientes y ofrezcan mayor duración de batería. El chip AD8233 de Analog Devices Inc. (ADI) ha sido diseñado como front‑end ECG que reduce el consumo a microamperios al presentar una corriente de reposo típica de 50 µA.

Plataformas de sensores para wearables médicos

Al igual que en otros diseños portátiles, se ofrecen plataformas de sensores modulares para facilitar soluciones out‑of‑the‑box para wearables médicos. Por ejemplo, el kit de desarrollo Aistin Blue de iProtoXi viene con muestras de aplicación para seguimiento de fitness y actividad. Incorpora los sensores más recientes de Kionix, ahora parte de Rohm Semiconductor. El kit incluye el software Kionix Windows Sensor Evaluation que simplifica la configuración del sensor y la adquisición de datos.

Otro ejemplo es la MAXREFDES101 Health Sensor Platform 2.0 de Maxim Integrated (Fig. 2) que facilita el prototipado rápido, evaluación y desarrollo para monitorización precisa de temperatura corporal, frecuencia cardíaca y ECG. Comprende una carcasa de reloj que aloja pantalla, batería, micro‑placa y placa de sensores.

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

La placa de sensores incluye un sensor óptico, un AFE integrado de biopotencial y bioimpedancia, un sensor de temperatura y un hub de sensor biométrico. Aquí, el hub de sensor biométrico MAX32664 simplifica el proceso de desarrollo al proporcionar firmware y algoritmos embebidos, así como permitir comunicación fluida con los sensores ópticos.

La Health Sensor Platform 2.0 soporta diseños wearable que van desde relojes deportivos, a monitores ECG, a rastreadores de fitness. También permite a los desarrolladores realizar sus propios análisis y evaluación de algoritmos a bordo.

El papel de los algoritmos de sensores

Los biosensores dentro de smartwatches, rastreadores de fitness y otros wearables médicos deben ser altamente precisos en la monitorización de diversos parámetros de salud. Uno de los tipos más comunes de biosensores, un sensor óptico, es un caso en punto. Interactúa con fuentes de luz coherentes y no coherentes, que pueden ser absorbidas, reflejadas, dispersadas o diseminadas, alterando la precisión de la señal del sensor.

Por tanto, los sensores ópticos vienen integrados con algoritmos de monitorización de signos vitales, asegurando que la cancelación de luz ambiental y otros desafíos de cancelación de movimiento se aborden adecuadamente. Segundo, como se mencionó anteriormente, los sensores médicos deben ofrecer factores de forma altamente reducidos para encajar bien en wearables diminutos y consumir mínima energía.

Finalmente, la disponibilidad de diseños de referencia y kits de desarrollo puede ahorrar meses de trabajo a los ingenieros de diseño wearable, mientras entregan herramientas avanzadas para la integración simple de nuevos sensores. Todo esto está ocurriendo ahora con la adopción de sistemas de monitorización avanzados en sensores wearable.