의료용 웨어러블을 지원하는 특수 센서

다양한 심장 모니터링 기능에 대한 FDA 승인을 받은 Apple Watch Series 4에서 알 수 있듯이 웨어러블 기술과 의료 기기 간의 시너지 효과는 분명하고 존재합니다. 증강 현실(AR) 및 가상 현실(VR) 기능을 갖춘 히어러블 디자인에서도 비슷한 이야기가 형성되고 있습니다.

이 응용 프로그램에서 작은 센서는 유무선 통신과 함께 심리적 요인 및 기타 징후를 기록하여 비정상적이거나 예기치 않은 상황을 식별합니다. 그러나 의료 및 피트니스 모니터는 체온 및 심박수와 같은 생체 인식 측정에서 더 높은 정확도를 요구하기 때문에 고도로 소형화된 의료용 웨어러블 기기는 감지 기능의 상당한 향상을 요구합니다.

개인이 착용하여 건강 및 피트니스 정보를 기록하는 웨어러블 의료 센서는 혈압, 심장 박동 및 기타 대사 활동과 같은 신체 신호를 모니터링할 수 있습니다. 이 웨어러블 센서는 신체의 생물학적 및 심리적 변화에 대한 중요한 정보를 제공하는 동시에 심혈관, 신경 및 폐 장애(예:천식, 고혈압 등)에 대한 지속적인 치료를 모니터링합니다.

그림. 1:의료용 센서는 고급 모니터링 시스템을 만드는 역할을 하는 웨어러블 설계에서 매우 중요합니다. (이미지:ams)

이 기사에서는 웨어러블 의료 기기 개발자가 소형 센서를 선택하고 휴대용 설계에 통합할 때 고려해야 할 세 가지 주요 설계 고려 사항을 간략하게 설명합니다. 프로세스는 센서 장치의 감도와 정확도에서 시작됩니다.

센서 측정의 정확도

정확도는 일반적으로 센서에 대한 주요 고려 사항이지만 웨어러블 장치가 작고 신체에 착용되기 때문에 특정 설계 문제가 발생합니다. 체온, 심박수, 혈액 산소 포화도(SpO₂)와 같은 생체 신호 측정의 정확성에 영향을 미치는 열 자체 발열 및 지속적인 신체 접촉으로 인해 고통을 받을 수 있습니다. ).

AS7026 ams의 광학 센서(그림 1 ) 정교한 알고리즘을 사용하여 피트니스 트래커 및 스마트워치에서 심박수, 심박수 변동성, 심전도(ECG) 및 혈압 측정의 정확성을 보장합니다.

센서 IC 제조업체는 이러한 문제를 해결하기 위해 발전하고 있습니다. 예를 들어, Rohm Semiconductor의 BH1790GLC 스포츠 밴드 및 스마트워치와 같은 웨어러블 기기에 최적화된 심박수 모니터링용 광학 센서는 낮은 LED 밝기에서도 높은 정확도로 맥파를 감지하여 감도를 향상시킵니다.

또한 MAX30208 Maxim Integrated의 디지털 온도 센서는 열 자체 발열을 제거하는 동시에 30°C ~ 50°C 범위에서 ±0.1°C 정확도를 제공합니다. 임상 등급 온도 센서는 정확도를 높이기 위해 주변광을 취소하고 측정 정확도를 높이기 위해 동작 보정 알고리즘을 사용합니다.

웨어러블 센서의 전력 문제

제한된 배터리 용량으로 인해 스마트워치 및 스포츠 밴드에 심박수 모니터링을 통합하는 것은 어려운 일이었습니다. 즉, 심박수 모니터링을 위한 광학 센서는 웨어러블 장치의 작동 시간을 연장하기 위해 전력 소비를 크게 줄여야 합니다.

Maxim Integrated의 MAXM86161을 예로 들 수 있습니다. 히어러블 및 기타 웨어러블 애플리케이션을 대상으로 하는 인이어 심박수 모니터 및 맥박 산소 측정기. 이 센서는 AFE(아날로그 프런트 엔드)와 통합되어 있어 별도의 칩이 필요하지 않으며 이를 광학 모듈에 연결할 필요가 없습니다. Maxim Integrated는 MAXM86161 센서가 작동 모드에서 10μA 미만, 셧다운 모드에서 1.6μA로 가장 가까운 경쟁 제품보다 약 35% 적은 전력을 소비한다고 주장합니다.

여기에서 의료 웨어러블 시장에 서비스를 제공하는 센서와 관련하여 에너지 절약과 소형화가 함께 진행된다는 점에 주목하는 것이 중요합니다. MAXM86161 인이어 심박수 모니터는 2.9 x 4.3 x 1.4mm 크기의 OLGA 패키지로 제공되며 3개의 LED(빨간색 및 SpO₂용 적외선)를 포함합니다. 측정 및 녹색 심박수.

더 작고 가벼우며 덜 눈에 띄는 생체전위 AFE 칩은 웨어러블 장치가 환자가 착용하는 데 불편하지 않고 더 긴 배터리 수명을 제공하도록 심장 모니터링 장치에 사용할 수 있습니다. AD8233 Analog Devices Inc.(ADI)의 칩은 50μA의 일반적인 대기 전류를 특징으로 하여 전력 소비를 마이크로암페어까지 낮추는 ECG 프런트 엔드로 설계되었습니다.

의료용 웨어러블용 센서 플랫폼

다른 휴대용 설계와 마찬가지로 모듈식 센서 플랫폼이 제공되어 의료용 웨어러블을 위한 즉시 사용 가능한 솔루션을 용이하게 합니다. 예를 들어, Aistin Blue iProtoXi의 개발 키트는 피트니스 및 활동 추적을 위한 애플리케이션 샘플과 함께 제공됩니다. 여기에는 현재 Rohm Semiconductor의 일부인 Kionix의 최신 센서가 통합되어 있습니다. 키트에는 Kionix Windows 센서 평가판이 포함되어 있습니다. 센서 구성 및 데이터 수집을 단순화하는 소프트웨어입니다.

또 다른 예는 MAXREFDES101입니다. Maxim Integrated의 건강 센서 플랫폼 2.0(그림 2 ) 체온, 심박수 및 ECG의 정확한 모니터링을 위한 신속한 프로토타이핑, 평가 및 개발을 용이하게 합니다. 디스플레이, 배터리, 마이크로 보드 및 센서 보드를 수용하는 시계 인클로저로 구성됩니다.

그림. 2:손목 착용 장치용 센서가 내장된 플랫폼은 ECG, 심박수 및 온도 측정을 용이하게 합니다. (이미지:Maxim Integrated)

센서 보드에는 광학 센서, 통합 생체 전위 및 생체 임피던스 AFE, 온도 센서 및 생체 인식 센서 허브가 포함됩니다. 여기에서 MAX32664 생체 인식 센서 허브는 임베디드 펌웨어 및 알고리즘을 제공하고 광학 센서와의 원활한 통신을 가능하게 하여 개발 프로세스를 단순화합니다.

Health Sensor Platform 2.0은 스포츠 시계, ECG 모니터, 피트니스 트래커에 이르는 웨어러블 디자인을 지원합니다. 또한 개발자는 온보드 알고리즘에 대한 자체 분석 및 평가를 수행할 수 있습니다.

센서 알고리즘의 역할

스마트워치, 피트니스 트래커 및 기타 의료 웨어러블 내부의 바이오센서는 다양한 건강 매개변수를 모니터링하는 데 매우 정확해야 합니다. 바이오 센서의 가장 일반적인 유형 중 하나인 광학 센서가 그 예입니다. 흡수, 반사, 산란 또는 분산될 수 있는 간섭성 및 비간섭성 광원과 상호 작용하여 센서 신호 정확도를 변경합니다.

따라서 광학 센서는 생체 신호 모니터링 알고리즘과 통합되어 주변광 제거 및 기타 동작 제거 문제가 적절하게 해결되도록 합니다. 둘째, 위에서 언급한 바와 같이 의료 센서는 초소형 웨어러블 기기에 잘 맞고 최소한의 전력을 소비할 수 있도록 매우 작은 폼 팩터를 제공해야 합니다.

마지막으로, 레퍼런스 디자인과 개발 키트의 가용성은 웨어러블 디자인 엔지니어의 개발 작업 시간을 몇 개월 단축하는 동시에 새로운 센서의 간단한 통합을 위한 고급 도구를 제공할 수 있습니다. 웨어러블 센서에 고급 모니터링 시스템이 도입되면서 이 모든 일이 일어나고 있습니다.