現代人が健康に注目するにつれ、脈拍、体温、心電図、個人の運動状態データの検出に使用できる、いつでもバイタルサインを検出するためのさまざまなデバイスが次々と市場に投入されています。市場開発の余地は素晴らしいです。この記事では、ADI (Analog Devices Inc.) が発表したバイタルサインモニタリング (VSM) ウォッチ開発モジュールの機能を紹介します。
繁栄するVSMウェアラブルデバイス
現在、市場にはスマートブレスレットやスマートウォッチなど、バイタルサインを検出できるウェアラブルデバイスが数多く存在し、特に運動機能や健康モニタリング機能をターゲットにした製品もいくつかあります。これらの製品の中には、単純な歩数計測のみのものや、脈拍（心拍数）検出機能を追加したもの、また一部のハイエンド製品では体温や心電図も測定できるものがあり、関連製品が市場で盛んに販売され、多くのメーカーが開発に投資しています。
近年、COVID-19の流行により、ウェアラブル技術の導入が加速し、ヘルスケアにおけるその役割が強化されています。人々は、ウェアラブル フィットネス トラッカー、スマート ヘルス ウォッチ、ウェアラブルECGモニター、ウェアラブル血圧計、ウェアラブル バイオセンサーなど、健康状態を監視することにますます注目しています。これらはすべて、非常に一般的で人気のあるウェアラブル デバイスです。
製品開発をスピードアップする完全な開発プラットフォーム
顧客がVSMウェアラブル デバイスの開発を加速できるように、ADIはEVAL-HCRWATCH4Z VSMウォッチ用の開発プラットフォームを導入しました。これは、ADIのアナログ フロントエンドとセンサーに基づく高性能VSMアプリケーション用のモジュール型開発、デモンストレーション、およびデータ収集プラットフォームです。このウェアラブルなバッテリー駆動デバイスは、光電式容積脈波記録法 (PPG)、皮膚電気活動 (EDA、生体インピーダンスに基づく)、皮膚温度、心電図 (ECG、生体電位に基づく)、および動き/活動 (3軸加速度計に基づく) の継続的なモニタリングとオンデマンドのスポットチェック測定を提供できます。複数の種類のパラメータデータストレージを内部メモリに同期させることができるため、PC（Windows® 将来的には、Windowsオペレーティング システム (OS) やAndroidまたはiOSベースのデバイスにも対応する予定です。
このVSMウォッチは、プラットフォーム用に最適化された電気的および機械的設計を備えたモジュール式の開発、デモンストレーション、およびデータ収集プラットフォームであり、リアルタイムのバイタルサインに関連するデータを感知、調整、デジタル化、処理、保存、およびワイヤレスで送信するために必要なすべての回路を備えています。このプラットフォームは、新しい電子設計を実行するリスクを最小限に抑え、新しい最終製品の市場投入までの時間を短縮し、さまざまなADIソリューションの評価、単一バッテリーで駆動するウェアラブルエコシステムにおけるウェアラブルデバイスに関連する課題の実証と解決を促進し、開発者がアルゴリズム開発、エンジニアリング、科学研究、検証のための全体的なファームウェアなど、他の付加価値型タスクに集中できるようにします。
HCRWATCH4Z評価プラットフォーム キットは、VSMプラットフォーム (時計)、充電クレードル、USB-Micro-USBタイプAケーブル、ファームウェア デバッグ ボードで構成されています。USBケーブルを使用すると、充電クレードルを介してバッテリーを充電したり、プラットフォーム ファームウェアをアップグレードしたり、内部フラッシュ メモリに保存されているデータをダウンロードしてオフライン データ分析を行ったりすることができます。さらに、ワイヤレス伝送用に、VSMウォッチ プラットフォームには、PCとのワイヤレス通信用のオプションのBluetooth USB PCドングル (NRF52840) もあります。
高品質なデバイスを統合してVSM機能を向上させる
HCRWATCH4Z評価プラットフォームは、光電式容積脈波記録法 (PPG) 技術を使用した脈拍検出など、さまざまなバイタルサインを監視できます。ADIのADPD4100を完全なマルチモーダル センサー フロント エンドとして使用し、VSMウォッチ上の4つのLEDを刺激し、最大8つの個別の電流入力の戻り信号を測定します。12個のタイムスロットが用意されており、サンプリング期間ごとに12個の個別の測定を行うことができます。
動きとアクティビティの検出には、ADIのADXL362が使用されます。これは、動きの状態を感知する超低消費電力、3軸、 ± 2 g/± 4 g/± 8 gデジタル出力高解像度 (1 mg/LSB) 加速度計です。消費電力は、100サンプル/秒 (SPS) で1.8 μA、400 SPSで3.0 μAですが、モーション起動ウェイクアップ モードでは270 nAしか必要としません。
ECG検出には、50 μA低ノイズのシングルリード アナログ出力生体電位フロントエンドであるADIのAD8233が使用されます。AD8233は、時計の上面と下面にある電極に接続できます。信号チェーンは携帯型心電図装置のように構成されています。
HCRWATCH4Z評価プラットフォームは、ADIのAD5940インピーダンス アナログ フロント エンド (AFE) を使用して測定された生体インピーダンスも検出できます。これら2つの電極と皮膚の間の適切な電気的接触は、正確で信頼性の高い長期測定に不可欠です。これら2つの電極はECG測定にも使用され、一時的に短絡されるため、ECG測定の実行中はインピーダンス測定は有効ではありません。
このプラットフォームは、皮膚と周囲の温度も検出できます。サーミスタをベースにしています。皮膚温度測定に使用されるサーミスタは、時計の底部に熱的に結合されています。サーミスタは、ADPD4100のアナログ入力の1つに接続されます。
ADIはVSMウォッチの基本的な動作モードを設計しており、提供されているデバイス構成ファイルを通じて、高性能PPG、EDA付き同期PGG、ECGスポット チェック付き同期PPG、高性能ECGスポット チェック、マルチ波長PPGなどの機能を選択でき、今後も他の機能の使用例の開発を継続します。
これらの動作モードは、VSMウォッチに存在する可能性のあるさまざまな種類の構成を示すことを目的としていますが、最終アプリケーションに固有のものではありません。VSMウォッチは高度な構成が可能で、既存のハードウェア、ソフトウェア、ファームウェアでサポートされていない構成のプログラミングが可能であり、ユーザーはこれらのユースケースを適切な基盤の開始点としてロードして、特定の目的に合わせてプラットフォームを変更する前に、興味のあるさまざまな測定テクノロジーを探索できます。
アルゴリズムとユースケース、豊富なオンラインリソースを提供する
組み込みアルゴリズムの評価には、3軸加速度計から生データを取得して歩行歩数を出力する歩数計アルゴリズムと、ADPD4100からのデジタル出力をこのアルゴリズムに供給してLED電流とAFEゲインの適切な構成を確保し、光信号の有用性を最大限に高める自動ゲイン制御が含まれます。デフォルトの目標は、LEDごとに70% の許容範囲を持つことです (これは個別に決定できます)。ゲイン制御は理想的なパフォーマンスと消費電力を実現するために最適化されていませんが、最終アプリケーションの要件に応じてさらに改善し、バッテリー寿命を延ばすことができます。
このアルゴリズムは、PPG/ADPD信号を使用して、動きによる干渉を排除しながら心拍数を測定することもできます。単一チャネルのPPG/ADPD信号と3軸加速度計データに基づいて心拍数を生成します。このアルゴリズムは、50Hz PPGおよび加速度計データの処理を目的として、ヘッダー ファイルとともに事前に構築されたCortex-M4ライブラリの形式で提供されます。
ウェアラブル デバイスによって収集されるPPG信号は、ノイズ源やその他のアーティファクトの影響を受けやすく、センサー測定の精度に悪影響を及ぼします。信号品質指数 (SQI) アルゴリズムは、PPGデータの各時間ウィンドウ/セグメントにスコア (インデックス) を提供し、他のバイタル サイン抽出アルゴリズムや臨床診断アルゴリズムで心拍数を推定するのに十分な品質があるかどうかを判断します。SQI機能は25 ～ 100 HzのPPG信号周波数をサポートし、SQIスコアは0 (信号品質が悪い) から1 (信号品質が優れている) までの浮動小数点値です。
ECG心拍数モニタリングの場合、アルゴリズムはECG信号のQRSピークを検出することにより、ECG信号から心拍数を測定します。このアルゴリズムは、ヘッダー ファイルとともに事前に構築されたCortex-M4ライブラリの形式で提供され、最大200 HzのODRでECG信号を処理するように設計されています。
お客様の製品開発を迅速化するために、ArrowとADIは、技術資料やユーザー ドキュメントなどの豊富な開発者リソースを提供しています。これらはすべて、ArrowのGithub Webサイト ( VSM Watchのハードウェアとソフトウェアに付属のGithubリポジトリ や VSM Watch Wikipediaページなど) からオンラインで入手できます。また、高精度、インピーダンス、電気化学フロント エンド - AD5940BCBZ、超低消費電力、1.8 V、3 mm × 3 mm、2チャンネル容量性コンバータ - AD7156BCBZ、50 μA、2 mm × 1.7 mm WLCSP、低ノイズ、ウェアラブル製品向け心拍数モニターなど、関連デバイスの詳細情報も表示できます。- AD8233ACBZ-R7、高度なバッテリ管理PMIC - ADP5360ACBZ-1-R7 、超低消費電力燃料ゲージ、バッテリ保護、降圧および昇降圧機能、微小電気機械 (MEMS) 加速度計 - ADXL362BCCZ 、マイクロパワー、3軸、 ±2 g/±4 g/±8 gデジタル出力、およびマルチモーダル センサー フロント エンド - ADPD4100。
結論
VSMをサポートするウェアラブルデバイスは、現代人が健康を追求するための最良の技術製品となり、急速に発展する新たなブルーオーシャン市場を代表しており、メーカーによる関連製品開発への積極的な投資に値します。ADIのHCRWATCH4Z評価プラットフォームは、多くの高品質デバイスを統合し、優れたソフトウェアおよびハードウェア製品リファレンス デザインを提供しています。これは、メーカーが関連製品を開発するための出発点となり、関心のあるメーカーが深く理解する価値があります。
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