Sensor Canggih Memberdayakan Teknologi Kesehatan Wearable: Dari Detak Jantung hingga Akurasi Suhu

Sinergi antara teknologi wearable dan perangkat medis jelas dan nyata, seperti yang ditunjukkan oleh Apple Watch Series 4, yang datang dengan klarifikasi Food and Drug Administration (FDA) untuk berbagai kemampuan pemantauan jantung. Cerita yang sama sedang terbentuk dalam desain hearable yang dilengkapi dengan kemampuan augmented reality (AR) dan virtual reality (VR).

Dalam aplikasi ini, sensor kecil, bersama komunikasi kabel atau nirkabel, mengidentifikasi situasi abnormal dan tidak terduga dengan mencatat faktor psikologis dan indikasi lainnya. Namun, perangkat medis wearable yang sangat miniatur memerlukan peningkatan signifikan dalam kemampuan sensing karena pemantau kesehatan dan kebugaran mewajibkan akurasi yang lebih besar dalam mengukur biometrik manusia, seperti suhu tubuh dan detak jantung.

Sensor medis wearable, yang dipakai individu untuk mencatat informasi kesehatan dan kebugaran, dapat memantau sinyal tubuh, seperti tekanan darah, detak jantung, dan aktivitas metabolik lainnya. Sensor wearable ini menyediakan informasi vital tentang perubahan biologis dan psikologis dalam tubuh, sambil memantau pengobatan berkelanjutan untuk gangguan kardiovaskular, neurologis, dan pulmoner—misalnya, asma, hipertensi, dll.

Gambar 1: Sensor kelas medis sangat penting dalam desain wearable untuk perannya dalam menciptakan sistem pemantauan lanjutan. (Gambar: ams)

Article ini menguraikan tiga pertimbangan desain utama bagi pengembang perangkat kesehatan wearable saat memilih dan mengintegrasikan sensor kecil ke dalam desain portable mereka. Proses dimulai dengan sensitivitas dan akurasi perangkat sensor.

Sementara akurasi adalah pertimbangan utama untuk sensor secara luas, ini menantang tantangan desain tertentu karena perangkat wearable kecil dan dipakai di tubuh. Mereka dapat menderita pemanasan sendiri termal dan sentuhan tubuh yang konstan, yang mempengaruhi akurasi dalam mengukur tanda vital, seperti suhu, detak jantung, dan saturasi oksigen darah (SpO₂).

Sensor optik AS7026 dari ams (Gambar 1) menggunakan algoritma canggih untuk memastikan akurasi pengukuran detak jantung, variabilitas detak jantung, elektrokardiogram (ECG), dan tekanan darah dalam fitness tracker dan smartwatch.

Produsen IC sensor sedang membuat kemajuan untuk memenuhi tantangan ini. Misalnya, sensor optik BH1790GLC Rohm Semiconductor untuk pemantauan detak jantung — dioptimalkan untuk perangkat wearable seperti pita olahraga dan smartwatch — meningkatkan sensitivitas dengan memungkinkan gelombang nadi terdeteksi dengan akurasi tinggi, bahkan dengan kecerahan LED rendah.

Selain itu, sensor suhu digital MAX30208 dari Maxim Integrated menghilangkan pemanasan sendiri termal sambil memberikan akurasi ±0,1°C dalam rentang 30°C hingga 50°C. Sensor suhu kelas klinis ini membatalkan cahaya ambient untuk akurasi yang lebih besar dan menggunakan algoritma kompensasi gerakan untuk meningkatkan akurasi pengukuran.

Pemasukkan pemantauan detak jantung dalam smartwatch dan pita olahraga telah menjadi tantangan karena kapasitas baterai terbatas. Dengan kata lain, sensor optik untuk pemantauan detak jantung memerlukan penurunan signifikan dalam konsumsi daya untuk memperpanjang waktu operasi perangkat wearable.

Contohnya adalah MAXM86161 Maxim Integrated, monitor detak jantung dan oksimetri nadi di telinga yang ditargetkan untuk hearable dan aplikasi wearable lainnya. Sensor ini terintegrasi dengan front-end analog (AFE), yang menghilangkan kebutuhan chip terpisah dan menghubungkannya ke modul optik. Maxim Integrated klaim bahwa sensor MAXM86161 mengkonsumsi sekitar 35% lebih sedikit daya daripada kompetitor terdekatnya dengan kurang dari 10 μA dalam mode operasi dan 1,6 μA dalam mode shutdown.

Di sini, penting untuk dicatat bahwa penghematan energi dan miniaturisasi berpasangan tangan ketika berkaitan dengan sensor yang melayani pasar wearable medis. Monitor detak jantung di telinga MAXM86161 tersedia dalam paket OLGA berukuran 2,9 x 4,3 x 1,4 mm dan mencakup tiga LED: merah dan inframerah untuk pengukuran SpO₂ dan hijau untuk detak jantung.

Chip AFE biopotensial yang lebih kecil, lebih ringan, dan kurang mengganggu tersedia untuk perangkat pemantauan jantung untuk memastikan bahwa perangkat wearable tidak menyakitkan bagi pasien untuk dipakai dan menawarkan umur baterai yang lebih lama. Chip AD8233 dari Analog Devices Inc. (ADI) telah dirancang sebagai front-end ECG yang menurunkan konsumsi daya ke mikroamp dengan arus diam tipikal 50 μA.

Seperti dengan desain portable lainnya, platform sensor modular ditawarkan untuk memfasilitasi solusi out-of-the-box untuk wearable medis. Misalnya, kit pengembangan Aistin Blue dari iProtoXi datang dengan contoh aplikasi untuk pelacakan kebugaran dan aktivitas. Ia menggabungkan sensor terbaru dari Kionix, sekarang bagian dari Rohm Semiconductor. Kit ini mencakup perangkat lunak Kionix Windows Sensor Evaluation yang menyederhanakan konfigurasi sensor dan akuisisi data.

Contoh lainnya adalah MAXREFDES101 Health Sensor Platform 2.0 dari Maxim Integrated (Gambar 2) yang memfasilitasi prototipasi, evaluasi, dan pengembangan cepat untuk pemantauan akurat suhu tubuh, detak jantung, dan ECG. Ia terdiri dari kotak jam tangan yang menempatkan layar, baterai, papan mikro, dan papan sensor.

Gambar 2: Platform yang dipenuhi sensor untuk perangkat dipanaskan pergelangan tangan memfasilitasi pengukuran untuk ECG, detak jantung, dan suhu. (Gambar: Maxim Integrated)

Papan sensor mencakup sensor optik, AFE biopotensial dan bioimpedansi terintegrasi, sensor suhu, dan hub sensor biometrik. Di sini, hub sensor biometrik MAX32664 menyederhanakan proses pengembangan dengan menyediakan firmware dan algoritma terintegrasi serta memungkinkan komunikasi yang lancar dengan sensor optik.

Health Sensor Platform 2.0 mendukung desain wearable yang berkisar dari jam olahraga, hingga monitor ECG, hingga fitness tracker. Ia juga memungkinkan pengembang untuk melakukan analisis dan evaluasi sendiri dari algoritma onboard.

Biosensor di dalam smartwatch, fitness tracker, dan wearable medis lainnya harus sangat akurat dalam memantau berbagai parameter kesehatan. Salah satu jenis biosensor yang paling umum, sensor optik, adalah contoh yang tepat. Ia berinteraksi dengan sumber cahaya koheren dan tidak koheren, yang dapat diserap, dipantulkan, dan diserap atau menyebar, mengubah akurasi sinyal sensor.

Jadi, sensor optik terintegrasi dengan algoritma pemantauan tanda vital, memastikan bahwa pembatalan cahaya ambient dan tantangan kompensasi gerakan lainnya diatasi dengan cukup. Kedua, seperti disebutkan di atas, sensor medis harus menawarkan bentuk yang sangat kecil sehingga dapat muat dengan baik ke dalam wearable kecil dan mengonsumsi daya minimal.

Terakhir, ketersediaan desain referensi dan kit pengembangan dapat menghemat bulan pekerjaan pengembangan bagi insinyur desain wearable, sambil menyediakan alat canggih untuk integrasi sederhana sensor baru. Ini semua sedang terjadi sekarang dengan adopsi sistem pemantauan lanjutan dalam sensor wearable.