Datenerfassung in der Medizinelektronik Sensorsignale via RFID-Schnittstelle übertragen

Die automatische Identifizierung von Gegenständen und Lebewesen ist eine zuverlässige Möglichkeit der Identifizierung und Lokalisierung. Mit den heutigen Möglichkeiten können nicht nur Daten gespeichert, sondern auch Befehle übertragen werden. Das ZMD aus Dresden konzentriert sich auf Applikationen, die für die Medizintechnik relevant sind.

Anbieter zum Thema

ODU GmbH & Co. KG

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG

Renesas Electronics Germany GmbH

RFID-(Radio Frequency Identification-)Übertragungssysteme werden bisher zum Verfolgen und Kennzeichnen von Waren und Nutztieren eingesetzt. Es gibt zahlreiche Systeme von unterschiedlichen Herstellern, welche in Label verpackte Transponderchips mit integriertem nichtflüchtigen Schreib/Lesespeicher anbieten. In solchen Systemen generieren externe Lesegeräte im Abstand von einigen Zentimetern bis Metern zu den Transpondern Befehle zum Speichern von übertragenen Daten, die an anderen Orten zur Identifizierung ausgelesen werden können.

Heutige RFID-Systeme sind leistungsfähiger. So lassen sich nicht nur Daten speichern, sondern auch Befehlsübermittlung zum Messen von Umgebungsparametern mithilfe elektrischer Sensoren einrichten. Dies kann autonom nach einem Zeitplan geschehen oder synchron auf Anweisung von in Abstand befindlichen Lesegeräten über die drahtlose RFID-Schnittstelle.

Dabei muss nicht zwangsweise eine Batterie als Energielieferant angeschlossen sein. Lesegeräte mit entsprechend großen Antennen induzieren über magnetische Felder (passive RFID-Sensoren) ausreichend Energie in die Spule der Transponder zum Betrieb von Sensor, Sensorauswerteelektronik und Ergebnisübertragung zum Lesegerät.

RFID-Komplettsysteme mit Sensorinterface-on-Chip

Die heutigen Montagetechnologien erlauben elektrische Verbindungen auf unterschiedlichsten Trägermaterialien, welche Antennenspulen mit Halbleiterchip und spezielle Sensoren miteinander vereinen. Der Halbleiterchip enthält alle Grundfunktionen zur Kommunikation mit der RFID-Schnittstelle über die angeschlossene Spule sowie die Sensorsignalaufnahme von adaptierbaren Sensoren.

Das Zentrum für Mikroelektronik Dresden (ZMD) konzentriert sich dabei unter anderem auf Applikationen, welche für die Medizintechnik relevant sind. Das können zum Beispiel integrierte RFID-Schaltkreise für die Ankopplung von Drucksensoren, Temperatursensoren oder Feuchtesensoren sein, welche Teil eines maßgeschneiderten System-on-Chip (SoC) sind.

Ein Transponder-IC ist dabei immer als Komplettsystem zu sehen, da mit Eintritt des Systems in das elektrische Feld festgestellt wird, ob die übertragene Energie ausreicht:

• die internen Energiespeicher zu laden,
• den Ablauf einer Befehlsabarbeitung zu organisieren,
• wichtige Empfangsdaten in den internen Datenspeicher abzulegen,
• eine Messung am internen oder externen Sensor starten,
• eine Signalverarbeitung/Konditionierung vorzunehmen und
• Daten über die Spule zum externen Lesegerät zu senden oder im internen Datenspeicher abzulegen.

Low Power - Low Voltage Technologien

Das ZMD verfügt über eine spezielle Technologie zur Realisierung leistungsarmer Systeme, welche minimalen Strom bei Batteriespannungen von 0,9 bis 1,5 V verbrauchen. Integrierte Smart Power Controller ermöglichen Stromaufnahmen von wenigen µA durch angepasstes Steuern von Takten und Spannungen. Durch Power Management werden Funktionsblöcke nur dann zugeschaltet, wenn Aktionen erforderlich sind. Leistungsaufnahmen von < 0,1 μW in Funktionsruhe und von 2 bis 10 μW in Standardzyklen sind realisierbar. Nur zum Zeitpunkt der Messwertaufnahme steigt die Leistungsaufnahme kurzzeitig für Bruchteile einer Sekunde auf bis 100 μW an.

Diese geringen Stromaufnahmen sind oftmals wesentliche Randbedingung für medizinische Applikationen, um sie lange mit der notwendigen Energie versorgen zu können. Gerade bei portablen medizinischen Geräten ist der geringe Strombedarf ein wesentlicher Systemparameter, der sich nur durch eine hohe Integration von Funktionen in den integrierten Schaltkreisen realisieren lässt.

Einsatzmöglichkeiten für RFID mit Sensorinterface-on-Chip

Der batterielose Betrieb von RFID-SoCs mit integriertem Sensorinterface ermöglicht vielfältige Realisierungen in der medizinischen Diagnostik. So kann ein RFID-Label bei angelegten Verbänden und Pflastern Temperatur und Feuchtigkeit messen. Eine Implantation der RFID-Label mit Sensor unter die Haut von Patienten erscheint überall dort realisierbar, wo elektrische Kabel störend sind. So beispielsweise die Kraftmessung in künstlichen Gelenken.

RFID-Label mit Batterie (aktive RFID-Sensoren) erlauben unter anderem eine kontinuierliche Transportüberwachung von pharmazeutischen Produkten. Dabei ist eine einzige Batteriezelle mit einer Zellspannung von 1 V mit geringer Kapazität ausreichend für den Betrieb über viele Monate. Ein integrierter Schaltkreis für ein solches System ist von ZMD entwickelt worden.

Datenlogger zur autonomen Transportüberwachung

Ein externes Lesegerät konfiguriert mithilfe von RFID-Befehlen Zeitdistanzen, Bewertungskriterien, Messhäufigkeiten sowie ihre Art der Speicherung den Ablauf der Datenloggerfunktion. Autonom werden nach dem übergebenen Zeitplan Temperatur und Feuchte gemessen und aufgezeichnet.

Zu einem späteren Zeitpunkt, etwa am Zielort der Logistikkette, kann der gespeicherte Inhalt wieder ausgelesen werden und Auskunft geben über abweichende Umwelteinflüsse während des Transportes. Auf diese Weise lassen sich Kühlketten beim Transport von temperatursensiblen pharmazeutischen Produkten verfolgen. Ein PDA mit einem Reader-Aufsatz verarbeitet das Übertragungsprotokoll nach ISO-15693 mit der Trägerfrequenz von 13,56 MHz. Der Transponder steckt im Label (hier mit ZMID bezeichnet). Die rechte Seite zeigt ausgelesene Messwerte an.

*Klaus Preiser ist IC Design Ingenieur in der Business Line Medical bei ZMD AG, Dresden.

(ID:237941)