ウェアラブルヘルスモニタリングプラットフォーム

説明

半導体技術の進歩によって、非常に軽量で小型であるため身につけることが可能な、非常に低電力のバッテリ給電エンベデッドシステムが最近実現しました。通常これらのシステムは、非常に高度なセンサー一式に接続されるとともに、低電力無線周波数リンクを介して外部のシステムに情報を伝える、強力で、非常に低電力のマイクロコントローラを備えています。

強力でありながら非常に低電力のデジタルマイクロコントローラ、超低電力アナログ人体信号センサー、および革新的な電源およびバッテリマネージメント回路の組合せによって、ウェアラブルヘルスケア市場の発展が実現しています。

人体信号のモニタリングは長年にわたって行われており、有益な健康診断情報を医師に提供してきました。同じモニタリング機器が高性能スポーツアプリケーションでも使用され、パフォーマンスの最適化に役立ってきました。現在、ヘルスおよびパフォーマンス最適化の両方の市場に対し、ウェアラブル人体信号モニタリング製品は同じタイプの情報を大幅に低い価格帯で消費者に提供することができます。

健康状態の検出と監視のため、従来から医療環境で監視されているほぼすべての信号をウェアラブル製品によって取得することができます。これらの従来からある信号には以下が含まれます。

  • 脈拍/心拍数
  • 血中酸素濃度
  • ストレス
  • 心電図(EKG/ECG)
  • 体温
  • UV光(肌への照射)

ウェアラブルヘルス製品の設計については、「設計上の考慮点」タブをクリックしてください。主なマキシムICのリストは、「回路」タブをクリックしてください。標準ウェアラブル製品のブロック図を表示するには、「ブロック図」タブをクリックしてください。


この市場は、高性能で高度なICによって実現されています。これらのICは電力に対して最適化されているため、小型軽量の充電式リチウムイオンバッテリや交換可能で充電不可のコイン電池を使用して人体信号モニタリング機能を提供することができます。

これらの製品の主な機能の多くはファームウェアアルゴリズムを介して実装されますが、物理設計はそれらの機能を搭載するためのプラットフォームを提供します。一度プラットフォームを開発すると、一連の各種製品に再利用することができます。

電源およびバッテリマネージメント


電力は、あらゆるウェアラブルヘルスケアプラットフォームにとって非常に重要な側面です。この製品カテゴリは小型かつ非侵入型である必要があるため、非常に小型、軽量のバッテリを備える必要があります。バッテリで利用可能な総充電量と、プラットフォームの消費電力特性によって、製品の有用性が決まります。通常、いかなるウェアラブル製品も、充電が必要になる前に少なくとも1日以上機能することが期待されます。充電ができないバッテリを使用する製品は、数か月のバッテリ寿命を備える必要があります。

充電式バッテリを使用する機器の場合、バッテリ管理システムはバッテリチャージャおよびバッテリ残量ゲージを含む必要があります。バッテリ管理システムは、機器の充電中も機器の動作を可能にする必要があります。

電源システムは、バッテリ(電圧出力が次第に低下していく電圧ソース)からの電圧を安定化することができる必要があります。レギュレータは、充電量の使用を最大化するため非常に効率的である必要があり、また設計によって必要とされる数のレールを供給する必要があります。充電式リチウムイオンバッテリの使用可能な電圧範囲は、4.2Vから約3.2Vまでです。ほとんどのウェアラブル製品は、1セルのリチウムイオンバッテリの最小充電量より低いメイン電源レールを使用するため、ウェアラブル設計内のメインレールはステップダウンレギュレータから供給されます。ウェアラブル製品の一部の機能は、1セルのバッテリが供給するものより高い電圧レベルを必要とする場合があります。これらの電圧レベルを提供するため、パワーマネージメント機能は少なくとも1つのステップアップレギュレータを含む必要があります。必要なレールの数は機器の機能によって異なりますが、効率を最適化するため必要なレールの数を最小限に抑えるのが適切です。

製品の選択

ウェアラブル充電管理ICのMAX14676は、複数の電圧レギュレータ、バッテリチャージャ、電源セレクタ、および残量ゲージを内蔵しています。このデバイスは、マキシムのModelGauge残量ゲージアルゴリズム、およびSmart Power Selector技術を特長とします。この1つのICで、1セルリチウムイオンバッテリを使用する設計のバッテリマネージメントの全側面に対応します。

この1つのICが、1.8V、3.2V出力(LDO)、6.6V出力(チャージポンプ経由)、および12V出力(ブーストスイッチングレギュレータ経由)の出力レールを提供します。

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プロセッサ


電力使用量と処理能力は、このアプリケーション用のマイクロコントローラにとって最も重要な選択決定因子です。システム分割手法を使用して、どのシステム機能をマイクロコントローラに内蔵するのが最適で、どれが外部で処理可能かを決定してください。ウェアラブルヘルス機器は人体信号を読み取るため、チップ内蔵データアナログ回路の能力も考慮して、低レベル人体信号を高精度で処理可能であることを確認する必要があります。

マイクロコントローラの場合、2つの汎用低電力方式が利用可能です。

  1. 必要な高精度アナログ回路のすべてまたは大部分を内蔵したマイクロコントローラ
  2. 高精度アナログ機能を備えていない低コストのマイクロコントローラ

より低コストのマイクロコントローラを選択する場合、外付けの信号処理チェーンで高精度信号変換を行い、センサー信号をデジタル形式でマイクロコントローラに入力する必要があります。この選択肢をサポートするため、超小型、高精度、および低電力のアナログ回路が提供されています。

最近、多数の低電力マイクロコントローラが市場に投入されています。ウェアラブルアプリケーションで最も一般的なものは、低消費電力に対して最適化されたARM®アーキテクチャを使用しています。機器の処理要件に応じて、プロセッサには16ビット~32ビットの範囲があります。プロセッサは複数の消費電力モードを備え、システムソフトウェアは設定可能なシャットオフおよびセンサーに基づくウェイクアップ機能を備えます。

製品の選択

ウェアラブルアプリケーション用に、マキシムは高集積の高精度アナログ回路を内蔵した高精度低電力のARMベースのマイクロコントローラを提供しています。MAX32600は、低電力ARM Cortex® M3マイクロコントローラに加えて、16ビット ADCや、パブリック鍵(公開鍵)認証、データ暗号化、およびタンパー検出を内蔵し最高レベルのセキュリティを提供する高集積信頼保護ユニットを含む、複数の機能を組み合わせています。

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センサーおよびセンサーインタフェース


ウェアラブル機器での人体信号の監視用に、多数のセンサーが利用可能です。人体信号を取得するためのセンサー技術は長年にわたって利用可能でしたが、大量の電力を消費せずに優れた信号を提供することができるセンサーが利用可能になったのは最近のことです。

以下の項目を測定するためのセンサー技術が利用可能です。

  • 血中酸素濃度
  • 心拍数
  • ECG/EKG
  • ストレス
  • 温度

これらのセンサーからの電気的出力は非常に小さく、mVの範囲です。しかし、これらの一般的なセンサーの多くは1つのパッケージ内に増幅および変換回路が組み合わされ、より高レベルのアナログ信号またはシリアル化されたデジタル信号のいずれかを出力します。これらのセンサーのインタフェース回路は、非常に低電力で動作するように設計されています。

心電図センサーの場合、基本的に皮膚との物理的な接触で、皮膚面周囲の非常に小さい電場を捕捉して信号をEKGシグナルチェーンに伝送します。低コストのウェアラブル心電図は2~3の範囲の接点に限られ、9~11のセンサーを体全体にわたって重要なポイントに貼付する、より高コストの業務用ECG/EKGシステムのような分解能は提供しません。

製品の選択

マキシムのMAX30100は、高集積パルス酸素濃度センサーソリューションです。このデバイスは、2つのLED、光検出器、最適化された光学回路、および低ノイズアナログ信号処理を組み合わせてパルス酸素濃度信号を検出し、心拍数信号も提供します。

体温センサーは、通常は測温抵抗体(RTD)で、励起と増幅のためにアナログシグナルチェーンを必要とします。シグナルチェーンは、外部アナログシグナルチェーンで構成するか、またはウェルネス測定マイクロコントローラのMAX32600のようにマイクロコントローラが高精度アナログ回路を内蔵している場合は、システムマイクロコントローラ内で直接実行することができます。

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通信


最新のすべてのウェアラブル機器は、一般的に大量データ転送、ファームウェア更新、およびバッテリ充電用のMicro-USBポートを備えています。さらに、多くのウェアラブルウェルネス製品は、低電力ワイヤレストランシーバを使用して機器の使用中にリアルタイムでデータを送受信します。ワイヤレス転送によって、より大型のディスプレイ画面やリモートデータ収集設備へのデータ送信が可能になります。低電力Bluetoothは、この目的のために採用が進んでいる標準規格です。さらに、NFC (near field communication)は、設定情報やログデータ取得などの短い内容の転送に最適な、限られた通信範囲のワイヤレス接続性を提供します。

製品の選択

マキシムのセキュアRFIDタグのMAX66242は、ユーザーを認証することによって、認証済みの送信元からの通信のみをNFC経由で受け付けることができます。

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ユーザーインタフェース


ウェアラブル製品のユーザーインタフェースは、必要な機能によって異なります。低電力設計が最重要のため、ディスプレイサイズは最小限に抑えられます。製品によっては、UIは1行のLCDディスプレイと数個の制御ボタンで構成されます。より多くの情報を表示する必要がある製品は、低電力TFTディスプレイを備え、ほとんどの場合タッチスクリーン機能を内蔵しています。

処理パワーが非常に安価かつ強力になっているため、多くのウェアラブル機器が最終的には音声コマンドインタフェースを備えるようになる可能性があります。

製品の選択

マキシムの超低電力オーディオコーデックのMAX98091は、マイクロフォン入力および高品質オーディオ出力機能を備えています。

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設計の詳細については、右の欄に示すアプリケーションノート、「回路」タブに記載された回路、および「ブロック図」タブに記載されたブロック図をご参照ください。



パルス酸素濃度センサー 慣性測定センサー オペアンプ VREF RTC リセット システム温度 高集積µC  ESD保護 パワーバッテリPMIC オーディオコーデック NFC ADC

モニタリングウォッチ


ウェルネス測定マイクロコントローラ リセット パワーマネージメント NFCポート 慣性測定センサー パルス酸素濃度計および心拍数センサー(ウォッチ背面) パルス酸素濃度計および心拍数センサー(ウォッチ盤面)

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Fitシャツ


パワーマネージメント 慣性測定センサー パルス酸素濃度計および心拍数センサー ウェルネス測定マイクロコントローラ ESD保護

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ウェアラブル温度センサー


温度センサー セキュアなNFCタグ

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種類 ID タイトル