Capteurs avancés pour wearables santé : de la fréquence cardiaque à la précision thermique

La synergie entre technologie portable et dispositifs médicaux est évidente, comme le montre l'Apple Watch Series 4, dotée d'une autorisation FDA pour diverses capacités de surveillance cardiaque. Une histoire similaire se dessine dans les conceptions d'écouteurs (hearables) équipés de capacités de réalité augmentée (AR) et virtuelle (VR).

Dans cette application, de minuscules capteurs, associés à des communications filaires ou sans fil, identifient les situations anormales et inattendues en enregistrant des facteurs physiologiques et d'autres indicateurs. Cependant, les dispositifs médicaux portables hautement miniaturisés exigent une amélioration significative des capacités de détection car les moniteurs de santé et de fitness imposent une plus grande précision dans la mesure des biométriques humaines, comme la température corporelle et la fréquence cardiaque.

Un capteur médical portable, porté par des individus pour enregistrer des informations de santé et de fitness, peut surveiller des signaux corporels tels que la pression artérielle, les battements cardiaques et d'autres activités métaboliques. Ces capteurs portables fournissent des informations vitales sur les changements biologiques et physiologiques du corps, tout en surveillant le traitement en cours des troubles cardiovasculaires, neurologiques et pulmonaires — par exemple, l'asthme, l'hypertension, etc.

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

Cet article présente trois considérations majeures pour les développeurs de dispositifs de santé portables lors de la sélection et l'intégration de minuscules capteurs dans leurs conceptions portables. Le processus commence par la sensibilité et la précision des dispositifs capteurs.

Précision des mesures des capteurs

Si la précision est une considération première 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'auto-échauffement thermique et de contact constant avec le corps, ce qui impacte la précision dans la mesure des signes vitaux, comme la température, la fréquence cardiaque et la saturation en oxygène du sang (SpO₂).

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

Les fabricants de CI capteurs font des progrès pour relever ces défis. Par exemple, le capteur optique BH1790GLC de Rohm Semiconductor pour la surveillance de la fréquence cardiaque — optimisé pour les appareils portables tels que les bracelets sportifs et montres connectées — améliore la sensibilité en permettant la détection des ondes de pouls avec une grande précision, même avec une faible luminosité des LED.

De plus, le capteur de température numérique MAX30208 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. Ce 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.

Le dilemme énergétique des capteurs portables

L'intégration de la surveillance de la fréquence cardiaque dans les montres connectées et bracelets sportifs a été un défi en raison de la capacité de batterie limitée. 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 le temps de fonctionnement des appareils portables.

Prenons l'exemple du MAXM86161 de Maxim Integrated, moniteur de fréquence cardiaque et oxymètre de pouls intra-auriculaire ciblant les hearables et autres applications portables. Le capteur intègre un front-end analogique (AFE), éliminant le besoin d'une puce séparée et de sa connexion au module optique. Maxim Integrated affirme que le capteur MAXM86161 consomme environ 35 % moins d'énergie que son concurrent le plus proche, avec moins de 10 µA en mode fonctionnement et 1,6 µA en mode arrêt.

Il est important de noter que l'économie d'énergie et la miniaturisation vont de pair pour les capteurs servant le marché des wearables médicaux. Le moniteur de fréquence cardiaque intra-auriculaire MAXM86161 se présente dans un boîtier OLGA mesurant 2,9 x 4,3 x 1,4 mm et comprend trois LED : rouge et infrarouge pour la mesure SpO₂ et verte pour la fréquence cardiaque.

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

Plateformes de capteurs pour wearables médicaux

Comme pour d'autres conceptions portables, des plateformes de capteurs modulaires sont proposées pour faciliter des solutions clé en main pour les wearables médicaux. Par exemple, le kit de développement Aistin Blue d'iProtoXi est livré avec des exemples d'applications pour le suivi de fitness et d'activité. Il intègre les derniers capteurs de Kionix, désormais intégrée à Rohm Semiconductor. Le kit inclut le logiciel Kionix Windows Sensor Evaluation qui simplifie la configuration des capteurs et l'acquisition de données.

Autre exemple : la plateforme MAXREFDES101 Health Sensor Platform 2.0 de Maxim Integrated (Fig. 2) qui facilite le prototypage rapide, l'évaluation et le développement pour la surveillance précise de la température corporelle, de la fréquence cardiaque et de l'ECG. Elle comprend un boîtier de montre abritant un écran, une batterie, une carte micro et une carte capteur.

Fig. 2 : La plateforme riche en capteurs pour appareils portés au poignet facilite les mesures d'ECG, de fréquence cardiaque et de température. (Image : Maxim Integrated)

La carte capteur inclut un capteur optique, un AFE biopotentiel et bioimpédance intégré, un capteur de température et un hub de capteurs biométriques. Ici, le MAX32664 hub de capteurs biométriques simplifie le processus de développement en fournissant micrologiciel et algorithmes embarqués ainsi qu'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. Elle permet également aux développeurs de mener leurs propres analyses et évaluations des algorithmes embarqués.

Le rôle des algorithmes des capteurs

Les biosenseurs à l'intérieur des montres connectées, trackers de fitness et autres wearables médicaux doivent être hautement précis dans la surveillance de divers paramètres de santé. L'un des types de biosenseurs les plus courants, le capteur optique, en est un exemple. Il interagit avec des sources lumineuses cohérentes et non cohérentes, qui peuvent être absorbées, réfléchies, diffusées ou dispersées, altérant la précision du signal du capteur.

Ainsi, les capteurs optiques sont intégrés avec des algorithmes de surveillance des signes vitaux, assurant que l'annulation de la lumière ambiante et les autres défis d'annulation de mouvement sont traités de manière adéquate. Deuxièmement, comme mentionné ci-dessus, les capteurs médicaux doivent offrir des formats très compacts pour s'adapter aux minuscules wearables et consommer un minimum d'énergie.

Enfin, la disponibilité de conceptions de référence et de kits de développement peut faire gagner des mois de travail aux ingénieurs concepteurs de wearables, tout en fournissant des outils avancés pour l'intégration simple de nouveaux capteurs. Tout cela se produit maintenant avec l'adoption de systèmes de surveillance avancés dans les capteurs portables.