健康およびフィットネスアプリケーション向けのセンサ技術

私たちの健康状態を判断することは、常に、体の最も基本的な機能をモニタし測定する方法を見つけるという問題でした。 計測器の前に、視覚インジケータが使用されていました。この視覚インジケータにより、たとえば、体温、健康な脈拍や許容できる呼吸速度はどんなものかを把握することができました。

今日、高齢化が進むとともに、より多くの人々が現在、何らかの種類のポータブル健康モニタリングを必要としており、これは、数ある中でも、一定の間隔での投薬、心臓の刺激、または血糖値の測定およびインスリンの注入を行うデバイスの形態をとる可能性があります。 この記事では、現在またはまもなく設計技術者に利用可能な、接触型および非接触型、皮膚の上、皮下、または内部に配置される医療およびフィットネスセンサ技術について考察します。 この記事で言及されているすべての部品、ツール、およびデータは、DigiKeyウェブサイトでご覧いただけます。

シンプルな始まり

センサの最もシンプルな形態はトランスデューサで、このトランスデューサは2つの異なる物質がお互いに接触するほど基本的なものである可能性があります。 実際のセンサエレメントは、小さなディスクリートリードコンポーネントとして、またはプローブまたは電極アセンブリの一部として製作できます。 それらは、髪の毛ほどの細いワイヤで、それ自身で電圧を実際に生成することができます。熱電対は、温度に基づいて電圧を生成する異なる金属の電圧生成センサの1例です。 たとえば、Omronが提供する非接地のE52-CA15AYD32 4Mなどの部品は、皮膚に、または固定された隙間に実装でき、3.2mmの保護チューブを備えており、Kタイプエレメントを使用して温度を測定します。

衝撃や振動にさらされた時に、圧電効果を利用して、小型の組み込み可能なセンサからエネルギーを生成することができます。 小さな、どちらかといえば非侵入型の骨格センサは、リアルタイムでサッカー選手にはあまりにも大きな身体的外傷を示す可能性があるため、より深刻な損傷を回避することができないかもしれません。 圧電センサの小型化は、それらが現在、テキスタイル、包帯、または衣類に織り込まれる可能性があることを意味します。 TE Connectivityが提供する2-1004347-0などのシートセンサは、柔軟性があり、折りたたみ可能で、極めて特定の状態にカット可能です（図1）。 たとえば、靴インサートは、下方への歩みに非常に多くのストレスが生じているかどうかを判断し、腰または関節の問題を診断するのに役立つ可能性があります。

トランスデューサは、実世界の状態を捕捉するのに有用である一方で、ドリフトおよび温度の影響のために較正、線形化、補償が必要です。 このため、小型のスマートシステムレベル電子機器に内蔵されたトランスデューサシステムは、これらのデバイスを自己完結型モニタリングおよびレポートシステムにすることができます。

健康およびフィットネスをサポートするウェアラブル

研究者やメーカーは現在、大衆向けのウェアラブル医療およびフィットネスデバイスに目を向けています。 アクティブなプロジェクトが進行中の場所として、イリノイ大学があり、そこでは、エネルギー運動、心拍数および変動性、落下、皮膚温度、EEG/EKG信号を測定できる次世代のデバイスが開発されています（図2）。 使い捨てパッチのように装着される、これらの剥がして貼るセンサは、必要な処理を行うか、またはクラウドまたは医療モニタリングサービスにデータを伝達するハブまたはルータとワイヤレス通信できます。 また、ローカルスマートフォンを使用することができます。

図2：粘着センサは、世界のどこにおいても、装着者および/またはリモート医療モニタリングサービスをモニタし、装着者および/またはリモート医療モニタリングサービスに通知するように特に設計された自己完結型測定システムです。

これは、システム電子機器に内蔵されているトランスデューサが、さほど侵入型でない小型のコンパクトな医療デバイスをいかにして実現できるかを示すほんの1例にすぎません。 テキスタイルにセンサを織り込むことは、手術なしで、または医療ボックスを持ち歩く必要なく、生理学的状態をモニタする方法として使用できます。 1つのこのような技術は、スマートソックスの形態をとり、このスマートソックスでは、テキスタイルがストレスセンサに注入され、歩み、速度、カロリー、距離を追跡できます。 ただし、それだけにとどまりません。 これらのソックスは、利用可能な酸素密度に応じて酸素レベルが調整できるように高度も検出できます。

これらのスマートソックスのさらなる利点は、足の着地力をモニタし測定できることです。 私たちが歩き、着地する中での体重配分は、骨、関節、脊椎を通して力、衝撃、およびストレスを伝達する可能性があります。 慢性的な腰の問題は、歩き方に直接端を発する可能性があり、これを検出して定量化する技術が整備されていれば、リアルタイムであっても、スマートフォンを使用して状態が悪化していることを通知すれば、簡単かつ迅速に改善します（図3）。

図3：テキスタイルに織り込まれた組み込みセンサを備えたスマートソックスは、データをリアルタイムでスマートフォンに送信でき、慢性的な腰および関節の痛みがある人々が、状態が悪化していることを把握し、歩行パターンを変えることに役立ちます。

かむことからバイトを生成する

数十年の間、人々の頭の中にあった斬新な設計は、歯の中に埋め込まれた電子機器です。 近年、台北市立大学の研究者は、喫煙、飲酒、咳、発話、または呼吸の停止によってトリガされる時にデータをモニタ、記録、そして送信できる、歯の中のスマートセンサを実際に作成しました。 最大94%の精度といわれるこの歯インプラントは、Bluetoothを使用して通信し、充填材内に配置することができます（図4）。

図4：歯の中のセンサは、化学的そして身体的活動を検出し、喫煙、飲酒、または呼吸の停止が起こる時にローカルで受信者に通知することができます。

歯は、センサに給電するために（前述した圧電技術などの）環境発電技術を使用して十分な力および圧力を生成し、収集できるため、特別な事例です。 体の上（または体の中）のセンサ向けの環境発電は、イリノイ大学の研究者にとってもう1つの重点項目です。 彼らは、鼓動している心臓からエネルギーをキャプチャして蓄積する機械的環境発電パッチを作成しました（図5）。 バイオプラスチック基板は、センサおよびエネルギー調整回路を収容し、筋肉エネルギー出力の測定、または運動選手がウォーミングアップした時または過度に疲れた時の検出を行うことができます。 発電機のシンプルな曲げや曲げ戻しが3.8Vの電池を充電できたことが実証されました。

環境発電の影響は、ペースメーカーの形態で支援を必要としている人々にとって大きいものです。 電池交換のために定期的に予定された間隔で開胸手術に直面する代わりに、埋め込まれた調整人工装具はそれ自身で連続で再充電することができます。

図5：このような環境発電パッチは、心臓または肺上に挿入でき、身体の動きから生成されたエネルギーを使用して、体の上または体の中のその他センサおよび電子機器の充電や給電を行います。

現在、埋め込み型技術は、これまでにも増して私たちの日々の生活の一部になろうとしています。 その1例は、イングランドで開発されたDigital Health Assistantです。 これは、動き、習慣、食生活、心拍数、気分、その他代謝機能における変化検出を介して「体調不良」である時の検出に使用される埋め込み型センサです。

特に、気分の検出に注目してください。 これは、生物学的鬱病の（とにかくセンサ向けの）新しい領域において技術ソリューションの可能性を切り開きます。 近いうちに、必要とされる時に抗鬱薬を実際に投薬する検出器を目の当たりにするかもしれません。

同じように、センサ技術は、「何をしても許される」といった古言に新しい関連性をもたらすかもしれません。 結びついた親密さでさえも、ユーザー間の接触を伝送できるTactilu¹ブレスレットなどのデバイスでどこでもモニタできます。 元気に満ちた若い人に埋め込まれたデジタル貞操帯を想像してください。

結論

医学に対する私たちの理解により、私たちは、健康に影響を及ぼす内部プロセスの調査やモニタリングにより関与できるようになっています。 この傾向は、特定の代謝インジケータを対象にするより多くのセンサを追加する方法を医師が見つける中で、継続するでしょう。 体の上や体の中での使用向けに、新しいスマートなセンサが導入される中で、背後ではアクティブセンサがウェルビーイングをモニタしている間に、より多くの人々が歩行し、話し、食事、睡眠をとるでしょう。 私たちは、グローバルに接続されたネットワークでワイヤレスデータノードとなりつつあります。 誰も私たちにハッキングできないことを願いましょう。

この記事で扱っている部品の詳細については、このページにあるリンクを使用して、DigiKeyウェブサイトの製品ページにアクセスしてください。

リファレンス

1. Tactilu