의료용 웨어러블 센서 및 장치용 컨트롤러

소비자 전자제품, 의학 및 산업용 전자 장비에서의 센서 및 센서 네트워크의 미래와 그 응용은 중요한 주제가 되었습니다. 센서 네트워크로 형성될 수 있는 착용 가능한 센서에 대한 수요 증가는 대규모로 정보를 신속하게 수집할 수 있게 합니다.

센서는 기본적으로 주변 환경의 물리적 변화에 대응하여 전기 신호를 생성하는 장치입니다. 센서는 온도, 혈압, 습도, 속도 등과 같은 물리적 양을 측정 및 정량화할 수 있는 전기 신호로 변환하여, 그 신호를 생성한 물리적 교란의 크기를 계산하는 데 사용할 수 있습니다.

마찬가지로, 착용 가능한 장치용 센서는 의료 진단과 같은 중요한 활동을 간소화할 수 있습니다. 더 큰 생산성과 안전 요구는 센서를 소비자 전자제품, 의류와 같은 개인 물품 및 산업용 PPE에서 더 유용하게 만들었습니다. 생체 의학 센서는 의료 진단이나 모니터링을 넘어서 농업, 개인 건강, 제조 및 위험한 환경에서 작업할 수 있는 어떤 다른 영역에서도 적용될 수 있습니다.

센서 네트워크란?

센서 네트워크는 무선 연결이 가능한 소형, 일반적으로 배터리로 구동되는 장치 그룹으로, 다양한 물리 현상의 변화를 모니터링, 측정 및 기록합니다. 센서 네트워크는 환경/지질 감지, 건강 관리 모니터링, 데이터 로깅, 위협 탐지 및 산업 장비 모니터링에 사용될 수 있습니다.

개별 착용 가능한 센서 및 센서 네트워크는 인터넷, 기업용 WAN 또는 LAN, 또는 전문 산업 네트워크에 연결하여 수집된 데이터를 백엔드 시스템으로 전송하여 분석할 수 있습니다. 이러한 장치는 특정 토폴로지(일반적으로 메시 또는 스타 토폴로지)로 설계되어야 하지만, 네트워크의 각 노드에서 사용할 수 있는 센서의 유형을 제한하지는 않습니다.

의료 분야에서, 인체에 배치된 여러 센서는 스타 토폴로지에서 동시에 여러 가지 중요한 징후를 모니터링할 수 있으며, 데이터는 무선으로 기지국으로 전송되어 수집 및 분석될 수 있습니다. 제조 및 기타 위험한 환경에서는, 생체 모니터 및 환경 센서가 작업자에게 스타 또는 메시 토폴로지로 연결되어, 작업자의 안전을 보장하면서 네트워크의 사용 가능 범위를 더 넓은 지역으로 확장하는 데 도움이 됩니다.

새로운 제품에 사용할 수 있는 여러 유형의 센서와 컨트롤러가 있습니다. 다음 제품에 어떤 유형의 센서를 사용하든, 또는 장치가 다른 센서 노드에 어떻게 연결되든, 제품에 적합한 컨트롤러와 신호 처리 구성 요소를 선택해야 합니다.

의료용 착용 가능 센서의 신호 처리

의료용 웨어러블 기기의 성공은 센서와 처리 알고리즘을 의료 전문가가 지속적인 질병을 모니터링하고 환자의 결과를 개선하는 데 집중할 수 있게 하는 웨어러블 형태로 통합하는 데 주로 의존합니다. 현재 이러한 기기들은 여러 중요한 징후의 지속적인 데이터 수집을 제공할 수 있습니다. 웨어러블 기기의 연구 및 개발이 계속 진행됨에 따라, 우리는 디지털 건강 분야에서 아직 경험하지 못한 발전을 상상할 수 있습니다.

Analog Devices, AD8233ACBZ-R7CT-ND

웨어러블 전극은 심장에서 나오는 전기 펄스를 정확하게 측정하기 위해 피부에 대해 배치됩니다. 웨어러블 의료 의류 통합에서 큰 개선이 기록되었지만, 센서를 제거하지 않고도 의류를 세탁할 수 있을 정도로 통합이 잘 보호됩니다. 예를 들어, 웨어러블 전극은 의료 전문가들에게 장기간 동안 지속적인 EEG, EKG 또는 심지어 EMG를 제공하는 데 사용됩니다.

Analog Devices의 AD8233ACBZ-R7CT-ND 생체전위 신호 처리 블록은 작은 형태 요소에서 생체전위 측정의 정밀한 필터링을 제공합니다. 이 IC는 20볼 BGA에 WLCSP 패키지로 장착되므로 두세 개의 웨어러블 전극과 인터페이스하는 웨어러블 기기에 포장될 수 있을 만큼 여전히 작습니다. 높은 신호 이득으로 우수한 80 dB 공통 모드 노이즈 거부 기능을 가지고 있습니다.

AD8233은 고역 통과 필터의 긴 정착 꼬리 기간을 줄이는 빠른 복원 기능을 포함합니다. 증폭기를 레일링하는 갑작스러운 신호 변화(예: 리드 오프 상태)가 발생한 후, AD8233은 자동으로 더 높은 필터 컷오프로 조정합니다. 이 기능은 AD8233이 빠르게 회복하게 하여, 전극을 대상에 연결한 직후에 유효한 측정을 할 수 있도록 합니다.

AD8233 데이터시트에서의 AD8233ACBZ-R7CT-ND 컨트롤러 발자국 및 블록 다이어그램

Maxim Integrated, MAX86150

생화학 및 생체전위 센서는 의료용 웨어러블에서 가장 일반적인 센서 유형이 경향이 있습니다. 화학 감지 웨어러블 기기는 화학 불균형, 유독 물질의 섭취 또는 흡수, 다중 화학 민감성(MCS)과 같은 질병 및 기타 화학 관련 질환의 진단 도구로 사용될 수 있습니다.

MAX86150 센서 어레이는 웨어러블 기기에서 모바일 건강 모니터링을 위해 통합된 광용적맥파 및 심전도 측정을 제공합니다. 이 저전력 모듈(1.8 V 공급 전압)은 웨어러블 애플리케이션에 이상적입니다. 또한 I2C를 통한 양방향 통신을 지원하여 무선 웨어러블 의료 기기에서 사용하기에 적합합니다. 이 장치는 데이터 처리 및 표준 생체 의학 센서를 단일 패키지로 훌륭하게 통합합니다. 근접 기능까지 포함되어 있습니다:

MAX86150은 사용자의 손가락이 센서에 닿지 않을 때 전력을 절약하고 가시광선 방출을 줄이기 위해 근접 기능을 포함합니다...SpO2 또는 HR 기능이 시작되면, IR LED가 PILOT_PA 레지스터에 의해 설정된 구동 전류로 근접 모드에서 켜집니다.

MAX86150 데이터시트에서 웨어러블 생체 의학 기기의 전형적인 블록 다이어그램

웨어러블 센서 및 센서 네트워크용 컨트롤러

웨어러블 기기와 센서 네트워크의 노드는 본질적으로 작은 임베디드 기기입니다. 아날로그 신호가 취득되고 처리된 후, 무선 네트워크를 통해 전송되거나 웨어러블 기기의 다른 구성 요소와 쉽게 인터페이스할 수 있는 디지털 데이터로 변환되어야 합니다. 이는 일반적으로 마이크로컨트롤러를 사용하여 수행되지만, 원하는 경우 ASIC을 사용할 수도 있습니다.

웨어러블 기기용 컨트롤러를 선택할 때 고려해야 할 핵심 요소는 전력 소비입니다. 웨어러블 및 센서 네트워크의 노드는 일반적으로 배터리로 구동되므로 전력 소비를 최소화하는 것이 필수적입니다. 웨어러블 센서에 사용되는 마이크로컨트롤러는 전력 효율적이어야 합니다. 또 다른 고려 사항은 기기에 사용된 배터리의 수명입니다. 입력 및 출력 구성 요소의 기능성도 고려해야 합니다. 자동 또는 반자동 방식으로 슬립 모드로 진입할 수 있는 마이크로컨트롤러를 사용하는 것은 웨어러블 센서가 있는 기기나 무선 센서 네트워크 노드에 좋은 선택입니다.

Microchip, ATSAME53J19A-AU

ATSAME53J19A-AU MCU는 Microchip에서 동급의 다른 MCU와 비교했을 때 낮은 전력 소비를 제공합니다. 이 고성능 전력 효율 컨트롤러는 배터리로 작동하는 웨어러블 기기에 이상적입니다. 이는 ULP1 모드에서 수면 상태에서 비동기적으로 주변 장치를 깨울 수 있는 Sleep/Walking 기능을 가지고 있습니다. 이 기능은 의료용 웨어러블 센서에만 국한되지 않고 환경 센서의 네트워크에서 데이터 처리에도 사용될 수 있습니다.

Microchip ATSAME53J19A 마이크로컨트롤러

Microchip, AR1010 MCU

대부분의 웨어러블 기기에서 디스플레이 화면은 주요 입력 및 출력 요소입니다. 다른 기기들은 터치 패널, 버튼, 때로는 모션 센싱과 같은 사용자 인터페이스를 통해 소비자에게 정보를 제공하는 다른 방법을 가지고 있습니다. 디스플레이 화면은 여전히 사용자와 소통하는 가장 효과적인 수단 중 하나로 남아 있습니다. 이것이 새로운 제품을 만들 때 적절한 펌웨어를 가진 마이크로컨트롤러를 사용하는 것이 디자이너에게 상당한 시간을 절약할 수 있는 이유입니다.

Microchip mTouch^® AR1000 시리즈 저항식 터치 스크린 컨트롤러는 통합하기 쉽고, 예산 친화적이며, 범용 터치 스크린 컨트롤러 칩입니다. AR1010 컨트롤러의 펌웨어에는 터치 데이터를 처리하기 위한 터치 스크린 디코딩 알고리즘이 포함되어 있습니다. 이 특정 기능은 수동으로 디코딩 알고리즘을 구현할 필요를 없애고 디자이너에게 더 많은 유연성을 제공합니다. 또한 다른 저가 장치에 비해 우수한 필터링 기능을 제공합니다. 이로 인해 AR1000은 인증된, 신뢰할 수 있는, 보정된 터치 좌표를 제공합니다.

Microchip AR1010 마이크로컨트롤러

적절한 임베디드 처리와 정확한 센서의 조합을 사용하면 터치 스크린에 그래픽 디스플레이를 지원하면서 정확한 데이터 수집을 보장할 수 있습니다. 여기서 소개한 장치들은 웨어러블 기기와 센서 네트워크에서 사용할 수 있는 센싱 옵션의 일부에 불과합니다. 웨어러블 센서의 영역에서는 터치 스크린과 여러 센서와 인터페이스할 수 있는 많은 IC들이 평가 보드에 패키징되어 있어 다음 웨어러블 제품을 프로토타입할 때 일정 수준의 자유를 제공합니다.

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