ウェアラブルデバイス設計サポートの進化

近年、ウェアラブル端末は、FitBitフィットネストラッカー、心拍数モニターなど様々な製品事例が出てきており大きな技術進化の兆候を見せるとともに、特にウェアラブルヘルスデバイスの需要が拡大し続けています。ガートナー社の最新のレポートによると、2021年に全世界のユーザーがウェアラブル端末に支出する金額は815億ドルと予測されています。これは昨年比18.1%の増加傾向を示しています。

ウェアラブルデバイスの設計には様々な課題や制約がありますが、構想フェーズから量産フェーズまでの設計を柔軟にサポートするツール・ソリューション・リファレンスデザインが、半導体サプライヤーから提供されています。

この記事ではマキシム・インテグレーテッド（Maxim Integrated）社が提供するウェアラブル・ヘルスケア・アプリケーション専用のリファレンスデザインをご紹介します。これらのデザインは、プリント基板CADの形式（DesignSpark PCBフォーマット（ Ultra Librarianと連動で））でダウンロードできます。

MAXREF220: デジタル信号処理による指先の心拍数及びパルスオキシメーター・スマートセンサー

MAXREFDES200#リファレンスデザインは、指先で心拍数、血中酸素飽和度（SpO2）、血圧傾向（BPT）を測定するヘルスケアアプリケーションの迅速なプロトタイピングと評価に最適です。このリファレンスデザインは、 MAX30101 (191-4219) 脈拍・心拍センサーと超低消費電力の MAX32644（バージョンA） (198-2206) 生体認証センサーハブを搭載しています。

図 1. MAXREFDES220

MAX30101

MAX30101センサーICはパルスオキシメーターと心拍数センサーを極めて小型（5.6mm×3.3mm×1.55mm）の光モジュールに集積したセンサーICです。このデバイスは、LEDパルスを皮膚に透過させ、組織や骨で反射した光を光検出器で検出する、反射率ベースの光電式容積脈波（PPG）技術を採用しています。また、 MAX30101は最適で堅牢なパフォーマンスを実現するために、ガラスカバーも統合しています。

MAX32644A

MAX32644センサハブファミリーは、マキシム社の光学センサーを完全に機能する実世界のウェアラブルアプリケーションにシームレスに統合することができます。センサーからの生データまたは計算データは、システム全体の消費電力を損なうことなく、外部に提供することができます。MAX32644のバージョンAは、I2Cインターフェース経由でMAX30101と通信し、指から心拍数と血中酸素飽和度（SpO2）のモニタリングを実行するように設計されています。このデバイスにはデジタルフィルタリング、圧力および位置の補正、高度R波検出などの高度なアルゴリズムが組み込まれており、心拍数を1分ごとに計算します。バックグランドノイズを最小限に抑えるために、環境光の除去がセンサーハードウェアに組み込まれています。

参考デザイン – MAXREF220

MAXREF103: 手首ベースのSpO2、HR、HRVヘルスセンサープラットフォーム

これまでのリファレンスデザインとは異なり、MAXREFDES103# (223-6442) は酸素飽和度、心拍数、心拍変動（HRV）などの健康パラメータを手首（リスト）で測定するアプリケーションに重点を置いています。このプラットフォームにはMAX32664生体認証センサーハブバージョンCを統合しており、MAX86141 アナログフロントエンド（AFE）センサーから受信したPPG信号に基づく心拍数とSpO2のアルゴリズムが含まれています。

図 2. MAXREFDES103

MAX86141

MAX86141 (223-6437) AFEセンサーは、3つのプログラマブルLEDドライバと2つの光学読み出しチャンネルを備え、透過型および反射型パルスオキシメーターと心拍数モニターの両方に最適化されています。高速環境過渡現象に対応するためのアルゴリズムを内蔵しており、120Hzで最大70dBの環境ノイズ除去を実現しています。 MAX86141デバイスの別のバージョンとして読み出しチャンネルが1つの MAX86140 (223-6441) (191-4228) も提供されており、両デバイスは同じフットプリントを共有し、0.4mmホールピッチのウェハレベルパッケージ（WLP）（2.048×1.848mm）で提供されています。

MAX32644C

MAX32644 Version Cは、MAX86141との通信にSPIインターフェースを使用し、患者の手首から心拍数と血中酸素飽和度（SpO2）の測定値を収集します。 MAX32633Cに組み込まれているアルゴリズムはデジタルフィルタリング、距離および動きの補正、高度R波検出です。

参考デザイン – MAXREFDES103

MAXREF104: ヘルスセンサープラットフォーム3.0

マキシム社のヘルスセンサープラットフォームの最新世代である MAXREFDES104は、MAX86176 アナログフロントエンド（AFE）センサーを含む先進的なセンサー、 MAX30208 (193-8421) はヒト体温センサー、3軸加速度センサーなどの先進的なセンサーを統合し、医療やフィットネスの分野での使用を目的としています。このプラットフォームでは皮膚温度、心拍数（HR）、酸素飽和度（SpO2）、生体電位測定（ECG）などが取得でき、物理的パラメータの他動き（フィットネス）の測定も可能です。

図 3. MAXREFDES104

MAX86176

MAX86176は、ウェアラブルアプリケーション向けの光電式容積脈波（PPG）と心電式心電図（ECG）のアナログ・フロントエンド（AFE）の２つの機能を備えたソリューションです。ECGチャネル、EMIフィルタリング、内部リードバイアス、AC及びDCリードオフ検出、右足駆動（RLD）、スタンバイモード時の超低電力DCリードオン検出、内蔵セルフテスト用の広範な電圧校正などの機能を備えています。

MAX30208

MAX30208 (193-8421) 温度センサーは70µAという低い動作電流で、バッテリー駆動のアプリケーションに最適です。また、広い温度範囲（30℃~50℃）で±0.1℃の精度を実現しています。MAX30208はホストコントローラーとの通信に標準的なI2Cシリアルインターフェースを使用しています。

参考デザイン – MAXREFDES104

これらの製品やマキシム・インテグレーテッド社の他の製品やソリューションの詳細についてはヘルスケアのページをご覧ください。