Analogtechnik für die Gesundheitsvorsorge der Zukunft

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Analog Devices

Die Bausteine hinter den Medizintechnik-Produkten

Abgesehen von den Lifestyle-Produkten beziehen sich die restlichen Kategorien auf medizinische Überwachung. Hier existieren Funktionsnachweise von Analog Devices wie die Gen2watch mit optischem Sensor, Impedanzsensor, EKG-Monitor und Temperatursensor (Bild 1). Es gibt jedoch keine kommerzielle Lösung. Die erhöhte Nachfrage und neue technischen Möglichkeiten lassen kommerzielle Lösungen jedoch nur als eine Frage der Zeit erscheinen.

Die Technik in Wearables wird in diesem Artikel detailliert am Beispiel der Pulsmessung erläutert, wobei der elektrische Aufbau dem der Blutsauerstoffmessung ähnelt. Der Puls kann entweder optisch oder elektrisch an Handgelenk, Ohr oder Oberarm gemessen werden. Für Wearables wird hauptsächlich die optische Methode eingesetzt, da sie im Gegensatz zur Stichprobenprüfung der elektrischen Methode eine kontinuierliche Pulsmessung erlaubt. Beide Methoden werden jedoch der Vollständigkeit halber beschrieben.

Die typische Signalkette für optische Pulsfrequenzmessungen verwendet für das Lichtsignal LEDs. Hierbei ist ihre Wellenlänge sowohl von der Platzierung als auch der Messmethode (reflektierend oder durchlässig) abhängig. So verwendet man beispielsweise bei einer Messung am Handgelenk für das bestmögliche Signal grüne LEDs. Dabei benutzt das System kurze Lichtpulse von bis zu drei LEDs zur Messung. Der maximale LED-Strom kann 370 mA betragen und die Pulsbreite kann auf 1 µs heruntergeregelt werden.

Das reflektierte Licht wird anschließend von einer Fotodiode aufgenommen. Hierbei spielt die Größe der Fotodiode eine entscheidende Rolle für das Signal-Rausch-Verhältnis. Eine größere Fläche bedeutet eine größere Aufnahmekapazität des reflektierten Lichts, aber auch von Hintergrundlicht. Um das Signal daher über dem Rauschen zu verstärken, ist das darauffolgende analoge Frontend immens wichtig. Das analoge Frontend verstärkt das Signal und filtert das Umgebungslicht heraus, wandelt Strom in Spannung um und letztendlich in ein digitales Signal. Als analoges Frontend wird hier der ADPD107 verwendet.

Der ADPD107 ist ein hochintegrierter Chip (Bild 2), der zusätzlich zum analogen Frontend einen Treiber für die LEDs beinhaltet. Das System soll für einen vorgegebenen LED-Strom den bestmöglichen Fotostrom messen.

Nach der Fotodiode wird das Signal in einen Strom-Spannungswandler gespeist, der bei einer Verstärkung bis 200000 auch kleinste Ströme messen kann. Nach der Verstärkungsstufe sind ein Bandpassfilter und ein Integrator geschaltet, um das Umgebungslicht zu filtern. Dies ist besonders wichtig, wenn LEDs zur Beleuchtung verwendet werden oder auch wechselndes Umgebungslicht herrscht, wie etwa beim Joggen im Wald. Der Bandpassfilter und der Integrator werden genau auf den ausgesendeten Puls der LED geschaltet, um das Signal vom Umgebungslicht zu trennen.

Abgesehen von den elektronischen Bauteilen ist das mechanische System für die Funktion ausschlaggebend. Dabei muss das LED-Licht direkt auf die Fotodiode übertragen werden, d.h. das Licht darf vorher nicht in Kontakt mit der Haut kommen. Ist dies der Fall, spricht man von interner Lichtverschmutzung (ILP). Eine Gegenmaßnahme ist eine mechanische Barriere wie unterschiedliche Fenster, die physikalisch die LEDs von der Fotodiode trennen.

Analog Devices bietet die optischen Messsysteme als zwei Produktlösungen an. Zum einen kann man die vorgestellte diskrete Lösung erwerben, die durch Benutzung einer externen Photodiode, LEDs und einem analogen Frontend große Anpassungsfähigkeit im jeweiligen System garantiert. Eine einfachere und schnellere Lösung ist ein fertiges Modul, z.B. der ADPD175GGI. Dieses Modul hat den Vorteil, dass es mechanisch und elektrisch optimiert ist. Nachteilig ist, dass das Modul nicht veränderbar ist. Hier wurde auf kleinster Ebene mit einem entsprechenden Gehäuse darauf geachtet, dass die ILP auf fast 0 reduziert wird und man somit ein sehr gutes Signal-Rausch-Verhältnis erzielt. Dadurch kann man dieses System nicht nur am Handgelenk sondern auch an anderen Positionen verwenden.

Abgesehen von der oben beschriebenen optischen Methode können Vitalparameter auch elektrisch gemessen werden. Dabei misst man entweder das Biopotential oder die Bioimpedanz über Elektroden, die den Kontakt zur Haut herstellen. Bei Körperimpedanz-Messungen wird über diese Kontaktpunkte ein geringes Signal von ungefähr 50 kHz angelegt und der resultierende Strom gemessen. Die berechnete Impedanz gibt Auskunft über das Körperwasser oder den Fettgehalt des Körpers. Auch hier gibt es eine diskrete Lösung oder einen hochintegrierten Chip wie den ADuCM350.

Bei Potentialmessungen wird stattdessen das Aktionspotential zwischen den Kontakten gemessen. Messgrößen sind hierbei EKG (Elektrokardiogramm, Herzaktionen), EEG (Elektroenzephalografie, Gehirnaktivität), EMG (Elektromyografie, Muskelbewegung) und EOG (Elektrookulografie, Augenbewegung). Abhängig vom Signal müssen die Kontaktpunkte entsprechend gewählt werden. So sollte für ein deutliches EKG-Signal über dem Herz gemessen werden. Dabei spielt auch die Entfernung eine Rolle. Je weiter die Elektroden angeordnet sind, desto schwächer wird das Signal und desto stärker werden die Beiträge von Muskelaktivität, Bewegungsartefakte und andere Störsignale.

Neben der Platzierung hilft eine für den Einsatzbereich passende Signalfilterung. Eine solche Filterung ist beispielsweise im analogen Frontend AD8233 (Bild 3) realisiert, das auf niedrigen Stromverbrauch und kleine Baugröße optimiert wurde. Der externe Bandpassfilter sollte dabei auf das gewünschte Signal angepasst werden. Ist lediglich der QRS-Peak des EKG-Signals von Interesse, genügt eine Bandweite von 7 bis 24 Hz. Falls jedoch auch die P- und T-Welle gemessen werden sollen, muss der Bandpassfilter z.B. auf 0,5 bis 40 Hz erweitert werden. Es ist natürlich auch möglich, einen Filter im digitalen Bereich anzuwenden.

* Christoph Kämmerer arbeitet als Applikationsingenieur bei Analog Devices in München.

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