高度なセンサーがウェアラブルヘルステックを強化：心拍から体温精度まで

ウェアラブル技術と医療機器の相乗効果は明確で、Apple Watch Series 4が心臓モニタリング機能でFDA認証を取得したことでも証明されています。AR/VR機能を備えたヒアラブルデバイスでも同様の展開が進んでいます。

この用途では、微小なセンサーと有線/無線通信により、心理的要因やその他の指標を記録して異常や予期せぬ事態を検知します。しかし、高度に小型化された医療用ウェアラブルデバイスでは、体温や心拍などの人体バイオメトリクスをより高精度に測定する必要があるため、センシング能力の大幅な向上が求められています。

個人が装着して健康・フィットネス情報を記録するウェアラブル医療センサーは、血圧、心拍、その他の代謝活動などの体内信号を監視できます。これらのセンサーは、心血管、神経、呼吸器疾患（喘息、高血圧など）の継続的治療をモニタリングしながら、体内の生物学的・心理的変化に関する重要な情報を提供します。

図1：医療グレードセンサーは高度なモニタリングシステムの構築においてウェアラブル設計で重要な役割を果たします（画像提供：ams）

本記事では、ウェアラブル医療機器開発者が微小センサーをポータブル設計に選定・統合する際の3つの主要な設計考慮事項を解説します。プロセスはセンサーデバイスの感度と精度から始まります。

センサー測定の精度

精度はセンサー全般の主要考慮事項ですが、ウェアラブルデバイスは小型で身体に装着されるため、特有の設計課題があります。熱的な自己発熱と常時の身体接触により、体温、心拍、血中酸素飽和度（SpO₂）などのバイタルサイン測定精度に影響を与えます。

amsのAS7026光学センサー（図1）は、高度なアルゴリズムを用いて、フィットネストラッカーとスマートウォッチにおける心拍、心拍変動、心電図（ECG）、血圧測定の精度を確保します。

センサーICメーカーはこれらの課題に対応するための進歩を遂げています。例えば、ロームセミコンダクターのBH1790GLC心拍モニタリング用光学センサーは、スポーツバンドやスマートウォッチなどのウェアラブルデバイス向けに最適化され、低LED輝度でも高精度に脈波を検出できるよう感度を向上させています。

また、Maxim IntegratedのMAX30208デジタル温度センサーは、熱的自己発熱を排除しながら、30°C〜50°Cの範囲で±0.1°Cの精度を実現。臨床グレードの温度センサーは周囲光をキャンセルして精度を高め、モーション補償アルゴリズムを採用して測定精度を向上させています。

ウェアラブルセンサーの電力課題

スマートウォッチやスポーツバンドへの心拍モニタリング搭載は、限られた電池容量ゆえに課題となってきました。つまり、心拍モニタリング用光学センサーには、ウェアラブルデバイスの動作時間を延ばすため、消費電力の大幅な削減が求められます。

例として、Maxim IntegratedのMAXM86161インイヤー心拍モニタおよびパルスオキシメータは、ヒアラブルやその他のウェアラブル用途向けです。このセンサーはアナログフロントエンド（AFE）を統合しており、別チップと光学モジュールの接続が不要。Maxim Integratedによると、MAXM86161は最寄りの競合比で約35%消費電力を削減し、動作モードで10µA未満、シャットダウンモードで1.6µAを実現しています。

ここで重要なのは、医療用ウェアラブル向けセンサーでは、省電力と小型化が両立している点です。MAXM86161インイヤー心拍モニタは、2.9×4.3×1.4mmのOLGAパッケージに、赤色・赤外線（SpO₂測定用）と緑色（心拍用）の3つのLEDを内蔵しています。

心臓モニタリングデバイス向けに、より小型・軽量・非侵襲的な生体電位AFEチップが提供されており、ウェアラブルデバイスが患者にとって不快にならず、より長い電池寿命を実現します。Analog Devices（ADI）のAD8233チップは、典型的な休止電流50µAを実現するECGフロントエンドとして設計され、消費電力をマイクロアンペアレベルまで抑えています。

医療用ウェアラブル向けセンサープラットフォーム

他のポータブル設計と同様、モジュラーなセンサープラットフォームが医療用ウェアラブル向けのターンキーソリューションとして提供されています。例えば、iProtoXiのAistin Blue開発キットには、フィットネスとアクティビティトラッキング用のアプリケーションサンプルが付属。現在はロームセミコンダクタ傘下のKionixの最新センサーを搭載し、Kionix Windows Sensor Evaluationソフトウェアでセンサー設定とデータ取得をシンプルにしています。

もう一つの例は、Maxim IntegratedのMAXREFDES101 Health Sensor Platform 2.0（図2）で、体温、心拍、ECGの精密モニタリングのための迅速なプロトタイピング、評価、開発を支援。ディスプレイ、電池、マイクロボード、センサーボードを収めたウォッチ型エンクロージャで構成されています。

図2：リストバンド型デバイス向けのセンサー搭載プラットフォームで、ECG、心拍、温度測定を実現（画像提供：Maxim Integrated）

センサーボードには、光学センサー、統合生体電位/バイオインピーダンスAFE、温度センサー、生体認証センサーハブが搭載。ここで、MAX32664生体認証センサーハブが、組み込みファームウェアとアルゴリズムを提供し、光学センサーとのシームレスな通信を可能にすることで、開発プロセスをシンプルにしています。

Health Sensor Platform 2.0は、スポーツウォッチからECGモニタ、フィットネストラッカーまで幅広いウェアラブル設計をサポート。開発者は搭載アルゴリズムの独自分析と評価も実施可能です。

センサーアルゴリズムの役割

スマートウォッチ、フィットネストラッカー、その他の医療用ウェアラブル内のバイオセンサーは、さまざまな健康パラメータを高精度に監視する必要があります。最も一般的なバイオセンサータイプの一つである光学センサーが好例です。コヒーレントおよび非コヒーレント光源と相互作用し、吸収、反射、散乱、分散によってセンサー信号精度が変化します。

そのため、光学センサーにはバイタルサインモニタリングアルゴリズムが統合され、周囲光キャンセルやモーションキャンセルなどの課題に適切に対処しています。第二に、前述の通り、医療用センサーは極めて小さなフォームファクタで、微小ウェアラブルに収まり、最小限の消費電力である必要があります。

最後に、リファレンスデザインと開発キットの利用により、ウェアラブル設計エンジニアは数ヶ月の開発工数を削減でき、新しいセンサーのシンプルな統合のための高度なツールを得られます。高度なモニタリングシステムのウェアラブルセンサーへの採用は、まさに今進行中です。