Tragbare Medizingeräte Drahtlose Kommunikation und das Design von Telehealth-Anwendungen

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Tragbare medizinische Geräte müssen nicht nur zuverlässig funktionieren. Entscheidend ist die drahtlose Kommunikation. Worauf es beim Design solcher Anwendungen ankommt.

Im Gesundheitswesen gibt es den Trend zur Selbstbehandlung. Beschleunigt wird die Entwicklung vor allem dank der elektronischen Möglichkeiten auf der einen und den reduzierten physischen Kontakten auf der anderen Seite. Das Stichwort ist Telemedizin. Doch was ist notwendig, um Wearables und Telemedizin im großen Stil einzusetzen?

Mit Elektronik lassen sich Vitalparameter erfassen, die Messdaten sind genauer und auch der Datenaustausch gelingt zuverlässig. Um das zu gewährleisten, sind Designs für das Biosensing und medizinischen Wearables notwendig, die oftmals sehr komplex sind. Vor allem eine drahtlose Kommunikation der Geräte untereinander muss funktionieren (Bild 1).

AFE-Bausteine als Schnittstelle zwischen analog und digital

Hinzu kommt, dass der Anwendungsfall der einzelnen Patienten unterschiedlich sein kann. Hier nimmt die Designkomplexität hinsichtlich des Stromverbrauchs, der Abmessungen und der Konnektivität ebenfalls zu. Viel bewirkt haben die AFE-Bausteine (Analog Front End). Sie werden bei der Anbindung digitaler Elektronik an die in medizinischen Anwendungen eingesetzten Sensoren eingesetzt. Damit sind sie die Schnittstelle zwischen analoger und digitaler Welt. Eingesetzt werden sie beispielsweise bei Telehealth-Endgeräten wie Pulsoximeter und Herzraten-Monitore.

Sie spielen eine wichtige Rolle bei medizinischen Anwendungen, wenn es um die Zuverlässigkeit von Patientenüberwachungs-Systemen, den Stromverbrauch von Wearables und die Flexibilität hinsichtlich nicht standardisierter Peripherie geht. Die AFE-Bausteine überwachen die Herzfrequenz und die Herzfrequenz-Variabilität, erfassen die Sauerstoffsättigung (SpO₂), kommen bei Hörhilfen und optischen Blutdruckmessgeräten zum Einsatz.

Einsatzgebiete der AFE-Bausteine

Der Baustein AFE4400 des Herstellers Texas Instruments beispielsweise sind mit chipintegrierter Optik und Diagnosefunktionen ausgestattet. Damit überwachen sie die Signalerfassung, aber können auch Fehler bei LEDs erkennen, wenn es um die Zuverlässigkeit von Pulsoximetrie-Systemen geht. Die AFEs kommen bei batteriebetriebenen Wearables und optischen Mess- und Überwachungsanwendungen zum Einsatz. Das sind beispielsweise konfigurierbare Timing-Controller für nicht standardisierte Verbindungen sowie die notwendige geringe Ruhestromaufnahme im Normal- und Stand-by-Betrieb.

Neben der Pulsoximetrie sind als Pflaster realisierte Temperaturmess-Wearables ein kommender Trend in der Patientenüberwachung. Denn die Körpertemperatur gibt Aufschlüsse über den medizinischen Status von Risikopatienten. Zudem gibt es die Pflaster zu attraktiven Preisen und ihre Beliebtheit im Rahmen einer dauerhaften Fernüberwachung nimmt zu.

Die Temperaturmessung für eine medizinischen Diagnose ist allerdings einschlägigen Normen unterworfen, damit eine vorgegebene maximale Fehlerquote eingehalten wird. Aus diesem Grund sind beim Design eine Reihe von Überlegungen notwendig. Damit Fehlerquellen gesenkt werden können, ist beispielsweise ein guter thermischer Kontakt notwendig und die umgebenden Wärmequellen in der Umgebung müssen isoliert sein.

Referenzdesign eines Mehrparameter-Frontends

In einem Referenzdesign (Bild 2) haben die Entwickler von Texas Instruments ein Mehrparameter-Frontend entwickelt. Dabei handelt es sich um eine batteriebetriebene, mehrere Parameter erfassende Lösung zur Patientenüberwachung. Gemessen werden Vitalparametern wie etwa die elektrische Aktivität des Herzens, die Sauerstoffsättigung oder der Atmung. Das System nutzt mehrere AFEs und Temperatursensoren, um die Puls-Charakteristika, die elektrischen Aktivität und der Hauttemperatur mit ±0,1 °C präzise zu messen. Außerdem enthält das Referenzdesign Verbindungen zu Modulen für die Schrittmacher-Detektierung. Da es die Verstärkungsfaktoren und Datenraten in Biosensing-Anwendungen wegen der Art der verwendeten Elektroden und der fluktuierenden optischen Signale üblicherweise konfigurierbar sein müssen, hilft ein weitreichend programmierbarer A/D-Wandler beim Umgang mit den Biopotenzialen.

Den Stromverbrauch bei tragbaren Geräten optimieren

Patientenmonitore müssen permanent messen, überwachen und schließlich portabel und am Körper tragbar sein. Aus diesem Grund werden sie mit Batterien betrieben und die Batterielebensdauer ist ein wichtiges Auswahlkriterium unter verschiedenen Produkten. Batteriebetriebene Systeme verlangen nach sorgfältiger Partitionierung, intelligenter Nutzung des knappen Platzes und effizienter Energienutzung, denn Patienten wie Mediziner wünschen sich effizientere Features in immer kleineren Gehäusen sowie längere Akkulaufzeiten – eine ganze Menge also für ein batteriebetriebenes Gerät.

Designer können auf stromsparende Mikrocontroller (MCUs) und analoge ICs zurückgreifen. Doch aktuelle technische Entwicklungen können sie erst dann einsetzen, wenn sie das Power-Management optimieren. Aus diesem Grund muss die Stromversorgungs-Architektur so effizient wie möglich sein und längere Akkulaufzeiten erlauben. Wenn in einem batteriebetriebenen Design ein Mikrocontroller zum Einsatz kommt, helfen Stromspar-Funktionen wie ein Sleep-, Hibernate- oder Shutdown-Modus, um die Batterielebensdauer zu verlängern. Bei drahtlosen Anwendungen kommt es zudem auf die Aufweckzeiten und den Standby-Stromverbrauch an.

Neben digitalen Stromspar-Optionen müssen Designer analoge Power-Management-Bausteine wie etwa Regler oder Gleichspannungswandler in Betracht ziehen, um den Wirkungsgrad zu erhöhen. Mit Lastschaltern lassen sich nicht benötigte Peripheriefunktionen bei Nichtgebrauch komplett stilllegen, und nicht zuletzt gilt es den richtigen Batterietyp zu wählen und das Ladeprofil zu optimieren. Ein spezieller Versandmodus nutzt verschiedene Komponenten, um die Batterielebensdauer von batteriebetriebener Wearable-Elektronik während des Transports und im Lager zu verlängern. Beispielsweise kann der Lastschalter TPS22916 von Texas Instruments als nicht-invasive Schaltung neben der Haupt-Elektronik dazu dienen, die Leckströme zu verringern und die Batterie vom System zu trennen. Gesteuert wird das System von einem GPIO-Signal des Mikrocontrollers oder durch einen manuell betätigten Taster.

Abgesehen vom Power-Management bei Transport und Lagerung, hat sich die Überwachung, Meldung und Vorhersage der Batterielebensdauer deutlich verbessert. Verantwortlich hierfür sind spezielle Füllstandsanzeige-ICs, die nicht nur kosteneffektiv sind, sondern auch selbst extrem wenig Strom verbrauchen. Das Bild 3 zeigt den Aufbau einer solchen Schaltung.

Geräte an ein Ferndiagnose-System anbinden

Neben dem Aspekt der Stromversorgung spielt die Konnektivität eine wichtige Rolle. Denn in Patientenüberwachungs-Systeme oder Gerät für die gesundheitliche Versorgung soll auch aus der Ferne bedient und gesteuert werden. Patientenmonitore erfordern beispielsweise klare, aufgeräumte Displays mit hochauflösenden Visualisierungs- und Anzeigefunktionen, was eine schnelle Verarbeitung, möglicherweise sogar mit Dual-Core-Technik notwendig macht.

Während eine zügigere Verarbeitung für Displays hilfreich ist, ist die drahtlose Kommunikation komplexer. Hier sind geringe Latenz oder eine hohe Datenrate für die Echtzeit-Ausgabe von Vitalparametern gefragt. Wireless-Module wie die Bausteine der WiLink-8-Familie enthalten Dual-Band-Wi-Fi- oder Bluetooth oder beides (Bild 4). Als Ergänzung zu einem Sitara-Prozessor sind diese Module für Anwendungen mit einem Durchsatz von bis zu 100 MBit/s vorgesehen. Sie bieten Wi-Fi Protected Access 3 und sind gemäß FIPS 140-2 zertifiziert. Eine weitere Herausforderung beim Design für drahtlose Konnektivität bei Wearables sind der hohe Stromverbrauch der Funkübertragung und die Unterbringung der großen Funkmodule in kompakten Anwendungen.

Ein Blick auf die Datensicherheit medizinischer Wearables

Drahtlose medizinische Sensorpflaster und Patientenmonitore verlangen nach größtmöglicher Sicherheit, denn Patientendaten sind höchst vertrauliche Informationen, deren Diebstahl ein ernstes Risiko darstellt. Es gibt bereits mehrere Sicherheitsmaßnahmen für den Schutz von geistigem Eigentum (Intellectual Property) und der Daten, die zwischen Patienten und Medizinern übertragen werden. Diese Maßnahmen müssen Schutz vor potenziellen Angriffen bieten und Datentransfers absichern – nicht nur bei der Verarbeitung und der Umwandlung in die anzuzeigenden Vitalparameter, sondern auch während der Übertragung. Das wird als „Over-The-Air Security“ bezeichnet.

AFE-Bausteine für Biosensing, welche auf das Format, die multimodale Sensorik und den Stromverbrauch optimiert, bilden für Designer überaus nützliche Hilfsmittel und Komponenten für die Entwicklung von Telehealth-Anwendungen. Darüber hinaus haben kombinierte Mikrocontroller- und Funk-Bausteine und Multicore-Prozessoren die Möglichkeiten für Remote-Anwendungen geschaffen, in denen ein durchsatzstarkes, kontinuierliches Streamen von Daten kritisch für die Visualisierung und Anzeige ist, wie etwa die dauerhafte Ausgabe von Vitalparametern.

* Sanjay Pithadia arbeitet als System-Ingenieur im medizinischen Bereich System Engineering und Marketing bei Texas Instruments.

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