医療用ウェアラブルセンサーおよびデバイスのコントローラー

消費者向け電子機器、医療、産業用電子機器におけるセンサーとセンサーネットワークの未来は、重要な話題となっています。センサーネットワークに組み込むことができるウェアラブルセンサーへの需要の増加により、大規模に迅速に情報を収集することが可能になりました。

センサーは基本的に、周囲の環境の物理的変化に応答して電気信号を生成するデバイスです。センサーは温度、血圧、湿度、速度などの物理量を電気信号に変換し、測定および定量化することができ、それによって信号を生成した物理的な乱れの大きさを計算することができます。

同様に、ウェアラブルデバイス用のセンサーは、医療診断などの多くの重要な活動を効率化することができます。生産性と安全性の要求の増加により、センサーは消費者向け電子機器、衣類のような個人用品、産業用PPEなど、より多くの分野で有用となっています。バイオメディカルセンサーは、医療診断やモニタリングだけでなく、農業、個人のフィットネス、製造業、危険な環境で作業している可能性のある他のどの分野においても、有用となっています。

センサーネットワークとは何か？

センサーネットワークは、物理現象の変化を監視、測定、記録するための小型で通常はバッテリー駆動の無線接続デバイスのグループで構成されています。センサーネットワークは、環境/地質センシング、ヘルスケアモニタリング、データログ、脅威検出、産業機器のモニタリングに使用することができます。

個々のウェアラブルセンサーとセンサーネットワークは、収集したデータをバックエンドシステムに送信して分析するために、インターネット、企業のWANやLAN、または特殊な産業ネットワークに接続することができます。これらのデバイスは、特定のトポロジー（通常はメッシュまたはスタートポロジー）で設計されている必要がありますが、これはネットワークの各ノードで使用できるセンサーのタイプを制限するものではありません。

医療分野では、人体に配置された複数のセンサーにより、複数の生命徴候を同時に監視することができ、データはワイヤレスで基地局に送信されて収集および分析されます。製造業やその他の危険な環境では、労働者のバイオメディカルモニターや環境センサーをスターまたはメッシュトポロジーで接続することにより、労働者の安全を確保しつつ、ネットワークの使用可能範囲をより広いエリアに拡張することができます。

新製品に使用するためのセンサーやコントローラーには、いくつかの種類があります。次の製品にどのタイプのセンサーを使用するか、またはデバイスが他のセンサーノードにどのように接続するかに関わらず、製品に適したコントローラーと信号処理コンポーネントを選択する必要があります。

医療用ウェアラブルセンサーのための信号処理

医療用ウェアラブルデバイスの成功は、主にセンサーと処理アルゴリズムをウェアラブルな形状に統合し、医療専門家が持続的な病気の監視に集中し、患者の結果を改善することを可能にすることに依存しています。現在、これらのデバイスは複数の重要なサインの連続的なデータ取得を提供することができます。ウェアラブルデバイスの研究開発が進むにつれて、デジタルヘルスの領域でまだ経験されていない進歩を想像することしかできません。

Analog Devices, AD8233ACBZ-R7CT-ND

ウェアラブル電極は通常、心臓からの電気パルスを正確に測定するために肌に対して配置されます。ウェアラブル医療衣服の統合に大きな改善が記録されていますが、センサーを取り外さずに衣服を洗うことができる程度に統合はしっかりと保護されています。例として、ウェアラブル電極は、医療従事者に長期間にわたって一定のEEG、EKG、またはEMGを提供するために使用されます。

Analog DevicesのAD8233ACBZ-R7CT-ND生体電位信号処理ブロックは、小型フォームファクターで生体電位測定の正確なフィルタリングを提供します。このICは20ボールBGAにWLCSPパッケージで取り付けられるため、2つまたは3つのウェアラブル電極とインターフェースするウェアラブルデバイスにパッケージ化するのに十分小さいです。優れた80dBの共通モードノイズ除去と高い信号ゲインを持っています。

AD8233には、高通過フィルターの長いセトリングテールの期間を短縮する高速復元機能が含まれています。アンプをレールするような急激な信号変化（リードオフ状態など）の後、AD8233は自動的により高いフィルターカットオフに調整します。この機能により、AD8233は迅速に回復し、したがって、電極を被験者に接続した直後に有効な測定を行うことができます。

AD8233データシートからのAD8233ACBZ-R7CT-NDコントローラーのフットプリントとブロック図

Maxim Integrated, MAX86150

生化学的および生体電位センサーは、医療用ウェアラブルで最も一般的なセンサータイプである傾向があります。化学センシングウェアラブルデバイスは、化学的不均衡、有毒物質の摂取または吸収、多重化学物質過敏症（MCS）などの病気、およびその他の化学関連の疾患の診断ツールとして使用される可能性があります。

MAX86150センサーアレイは、ウェアラブルデバイスでのモバイルヘルスモニタリングのために、統合された光電容積脈波計測と心電図測定を提供します。この低消費電力モジュール（1.8 Vの電源電圧）は、ウェアラブルアプリケーションに最適です。また、I2Cを介した他のデバイスとの双方向通信をサポートしており、無線ウェアラブル医療デバイスでの使用に理想的です。このデバイスは、データ処理と標準的な生体医学センサーを一つのパッケージにうまく統合しています。近接機能も含まれています：

MAX86150は、ユーザーの指がセンサーに触れていないときに電力を節約し、可視光の放出を減らすための近接機能を含んでいます...SpO2またはHR機能が開始されると、IR LEDは近接モードで点灯し、PILOT_PAレジスタによって設定された駆動電流で動作します。

MAX86150データシートからの典型的なウェアラブル生体医学デバイスのブロック図

ウェアラブルセンサーとセンサーネットワークのためのコントローラー

ウェアラブルデバイスとセンサーネットワークのノードは、基本的に小型の組み込みデバイスです。アナログ信号が取得され処理された後、無線ネットワークを介して送信されるデジタルデータに変換する必要があります。これは通常、マイクロコントローラーで行われますが、望む場合はASICを使用することもできます。

ウェアラブルデバイスのコントローラーを選択する際に考慮すべき重要な要素は、消費電力です。ウェアラブルやセンサーネットワークのノードは通常、バッテリーで動作するため、消費電力を最小限に抑えることが不可欠です。マイクロコントローラーは、ウェアラブルセンサーで使用される場合、省電力であるべきです。また、デバイスに使用されるバッテリーの寿命も考慮するべきです。入出力コンポーネントの機能性も考慮するべきです。自動または半自動的にスリープモードに入ることができるマイクロコントローラーを使用することは、ウェアラブルセンサーや無線センサーネットワークノードのデバイスにとって素晴らしい選択です。

Microchip, ATSAME53J19A-AU

ATSAME53J19A-AU MCUは、Microchipから提供され、同クラスの他のMCUと比較して低消費電力を実現します。この高効率の省電力コントローラーは、バッテリー駆動のウェアラブルデバイスに最適です。Sleep/Walking機能により、ULP1モードで周辺機器がスリープから非同期にウェイクアップできます。この機能は医療用ウェアラブルセンサーに限定されず、環境センサーのネットワークでのデータ処理にも使用できます。

Microchip ATSAME53J19Aマイクロコントローラー

Microchip, AR1010 MCU

ほとんどのウェアラブルデバイスでは、ディスプレイ画面が主要な入力および出力要素です。他のデバイスでは、タッチパネル、ボタン、時にはモーションセンシングなど、ユーザーインターフェースを通じて消費者に情報を提供する他の方法があります。ディスプレイ画面は依然としてユーザーとのコミュニケーションに最も効果的な手段の一つです。ここで、適切なファームウェアを備えたマイクロコントローラーを使用すると、新製品の作成時に設計者が大幅な時間を節約できます。

Microchip mTouch^® AR1000 シリーズ抵抗式タッチスクリーンコントローラーは、オールインワンで統合が容易、予算に優しく、汎用性のあるタッチスクリーンコントローラーチップです。AR1010 コントローラーのファームウェアには、タッチデータを処理するためのタッチスクリーンデコーディングアルゴリズムが含まれています。この特徴により、デコーディングアルゴリズムを手動で実装する必要がなくなり、設計者により多くの柔軟性を提供します。また、他の低コストデバイスと比較して優れたフィルタリング機能を提供します。これにより、AR1000は認証された、信頼性の高い、校正されたタッチ座標を提供します。

Microchip AR1010 マイクロコントローラー

適切な組み合わせの組み込み処理と正確なセンサーを使用することで、正確なデータ取得を保証しながら、タッチスクリーン上でのグラフィックス表示をサポートできます。ここで紹介したデバイスは、ウェアラブルデバイスやセンサーネットワークで使用可能なセンシングオプションの一部に過ぎません。ウェアラブルセンサーの分野では、多くのICがタッチスクリーンや複数のセンサーとインターフェースでき、評価ボードにパッケージされており、次のウェアラブル製品のプロトタイプを作成するためのある程度の自由度を提供します。

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