Des capteurs spécialisés prennent en charge les appareils portables de soins de santé

La synergie entre la technologie portable et les dispositifs médicaux est claire et présente, comme le démontre l'Apple Watch Series 4, qui est fournie avec l'autorisation de la Food and Drug Administration (FDA) pour diverses capacités de surveillance cardiaque. Une histoire similaire prend forme dans des conceptions audibles équipées de capacités de réalité augmentée (AR) et de réalité virtuelle (VR).

Dans cette application, de minuscules capteurs, ainsi que des communications filaires ou sans fil, identifient les situations anormales et inattendues en enregistrant des facteurs psychologiques et d'autres indications. Cependant, les dispositifs médicaux portables hautement miniaturisés nécessitent une amélioration significative des capacités de détection, car les moniteurs de soins de santé et de fitness exigent une plus grande précision dans la mesure de la biométrie humaine, telle que la température corporelle et la fréquence cardiaque.

Un capteur médical portable, porté par les individus pour enregistrer des informations sur la santé et la forme physique, peut surveiller les signaux corporels, tels que la pression artérielle, le rythme cardiaque et d'autres activités métaboliques. Ces capteurs portables fournissent des informations vitales sur les changements biologiques et psychologiques dans le corps, tout en surveillant le traitement en cours des troubles cardiovasculaires, neurologiques et pulmonaires, tels que l'asthme, l'hypertension, etc.

Fig. 1 :Les capteurs de qualité médicale sont essentiels dans les conceptions portables pour leur rôle dans la création de systèmes de surveillance avancés. (Image :ams)

Cet article présente trois considérations de conception majeures pour les développeurs d'appareils de santé portables lorsqu'ils sélectionnent et intègrent de minuscules capteurs dans leurs conceptions portables. Le processus commence par la sensibilité et la précision des capteurs.

Précision des mesures des capteurs

Bien que la précision soit une considération primordiale pour les capteurs en général, elle présente un défi de conception particulier car les appareils portables sont petits et portés sur le corps. Ils peuvent souffrir d'un auto-échauffement thermique et d'un toucher corporel constant, ce qui a un impact sur la précision de la mesure des signes vitaux, tels que la température, la fréquence cardiaque et la saturation en oxygène du sang (SpO₂ ).

Le AS7026 capteur optique d'ams (Fig.1 ) utilise des algorithmes sophistiqués pour garantir la précision de la fréquence cardiaque, de la variabilité de la fréquence cardiaque, de l'électrocardiogramme (ECG) et des mesures de la pression artérielle dans les trackers de fitness et les montres connectées.

Les fabricants de circuits intégrés de capteurs font des progrès pour relever ces défis. Par exemple, le BH1790GLC de Rohm Semiconductor Le capteur optique pour la surveillance de la fréquence cardiaque - optimisé pour les appareils portables tels que les bracelets de sport et les montres intelligentes - améliore la sensibilité en permettant aux ondes de pouls d'être détectées avec une grande précision, même avec une faible luminosité LED.

Aussi, le MAX30208 Le capteur de température numérique de Maxim Integrated élimine l'auto-échauffement thermique tout en offrant une précision de ± 0,1 °C dans la plage de 30 °C à 50 °C. Le capteur de température de qualité clinique annule la lumière ambiante pour une plus grande précision et utilise des algorithmes de compensation de mouvement pour augmenter la précision des mesures.

L'énigme de la puissance des capteurs portables

L'intégration de la surveillance de la fréquence cardiaque dans les montres intelligentes et les bracelets de sport a été un défi en raison de la capacité limitée de la batterie. En d'autres termes, les capteurs optiques pour la surveillance de la fréquence cardiaque nécessitent une réduction significative de la consommation d'énergie pour prolonger la durée de fonctionnement des appareils portables.

Prenons l'exemple du MAXM86161 de Maxim Integrated moniteur de fréquence cardiaque intra-auriculaire et oxymètre de pouls destinés aux appareils auditifs et autres applications portables. Le capteur est intégré à un frontal analogique (AFE), ce qui élimine le besoin d'une puce séparée et de sa connexion au module optique. Maxim Integrated affirme que le capteur MAXM86161 consomme environ 35 % d'énergie en moins que son concurrent le plus proche avec moins de 10 μA en mode de fonctionnement et 1,6 μA en mode d'arrêt.

Ici, il est important de noter que les économies d'énergie et la miniaturisation vont de pair lorsqu'il s'agit de capteurs destinés au marché des wearables médicaux. Le moniteur de fréquence cardiaque intra-auriculaire MAXM86161 est livré dans un boîtier OLGA mesurant 2,9 x 4,3 x 1,4 mm et comprend trois LED :rouge et infrarouge pour SpO₂ mesure et vert pour la fréquence cardiaque.

Des puces AFE biopotentielles plus petites, plus légères et moins intrusives sont disponibles pour les dispositifs de surveillance cardiaque afin de garantir que les dispositifs portables ne sont pas désagréables à porter pour les patients et offrent une durée de vie de la batterie plus longue. Le AD8233 La puce d'Analog Devices Inc. (ADI) a été conçue comme un frontal ECG qui réduit la consommation d'énergie à des microampères en présentant un courant de repos typique de 50 μA.

Plateformes de capteurs pour dispositifs médicaux portables

Comme pour les autres conceptions portables, des plates-formes de capteurs modulaires sont proposées pour faciliter les solutions prêtes à l'emploi pour les appareils médicaux portables. Par exemple, le Aistin Blue Le kit de développement d'iProtoXi est fourni avec des exemples d'applications pour le suivi de la condition physique et de l'activité. Il intègre les derniers capteurs de Kionix, qui font désormais partie de Rohm Semiconductor. Le kit comprend l'Évaluation du capteur Windows Kionix logiciel qui simplifie la configuration des capteurs et l'acquisition de données.

Un autre exemple est le MAXREFDES101 Health Sensor Platform 2.0 de Maxim Integrated (Fig. 2 ) qui facilite le prototypage, l'évaluation et le développement rapides pour une surveillance précise de la température corporelle, de la fréquence cardiaque et de l'ECG. Il comprend un boîtier de montre qui abrite un écran, une batterie, une micro-carte et une carte de capteur.

Fig. 2:La plate-forme dotée de capteurs pour les appareils portés au poignet facilite les mesures de l'ECG, de la fréquence cardiaque et de la température. (Image :Maxim intégré)

La carte de capteur comprend un capteur optique, un AFE de biopotentiel et de bioimpédance intégré, un capteur de température et un concentrateur de capteur biométrique. Ici, le MAX32664 Le hub de capteurs biométriques simplifie le processus de développement en fournissant un micrologiciel et des algorithmes intégrés, ainsi qu'en permettant une communication transparente avec les capteurs optiques.

La Health Sensor Platform 2.0 prend en charge des conceptions portables allant des montres de sport aux moniteurs ECG en passant par les trackers de fitness. Il permet également aux développeurs de mener leurs propres analyses et évaluations des algorithmes embarqués.

Le rôle des algorithmes des capteurs

Les biocapteurs à l'intérieur des montres intelligentes, des trackers de fitness et d'autres dispositifs médicaux portables doivent être très précis pour surveiller divers paramètres de santé. L'un des types les plus courants de biocapteurs, un capteur optique, en est un exemple. Il interagit avec des sources lumineuses cohérentes et non cohérentes, qui peuvent être absorbées, réfléchies et diffusées ou dispersées, altérant ainsi la précision du signal du capteur.

Ainsi, les capteurs optiques sont intégrés à des algorithmes de surveillance des signes vitaux, garantissant que l'annulation de la lumière ambiante et d'autres problèmes d'annulation de mouvement sont traités de manière adéquate. Deuxièmement, comme mentionné ci-dessus, les capteurs médicaux doivent offrir des facteurs de forme très petits afin qu'ils puissent bien s'intégrer dans de minuscules appareils portables et consommer une énergie minimale.

Enfin, la disponibilité de conceptions de référence et de kits de développement peut économiser des mois de travail de développement pour les ingénieurs de conception portables, tout en fournissant des outils avancés pour l'intégration simple de nouveaux capteurs. Tout se passe maintenant avec l'adoption de systèmes de surveillance avancés dans les capteurs portables.