Body-Area-Networks Winzige Funksysteme realisieren

Mithilfe von Technologieplattformen für drahtlose Mikrosysteme lassen sich winzigste BAN-Lösungen mit kleinstem Energieverbrauch für implantierte und tragbare Medizingeräte der nächsten Generation realisieren. Das EU-Projekt »WiserBAN« will hierfür ein 2,4-GHz-Mikrosystem liefern, das gleichzeitig misst, verarbeitet und drahtlos überträgt, wobei es nicht größer als 4 mm x 4 mm x 1 mm sein soll. Diese Forschung wird durch die Anforderungen führender europäischer Akteure auf den Gebieten von Hörgeräten, Herzschrittmachern und Cochlea-Implantaten sowie Insulinpumpen stimuliert und soll den Markt für trag- und implantierbare Produkte beeinflussen.

Tragbarkeit ist eine der Haupt-Entwicklungsrichtungen für elektronische Geräte. Das gilt im Besonderen auch für die Medizintechnik. Hörgeräte, implantierbare und tragbare Geräte zur Überwachung des Gesundheitszustandes sowie Gesundheitstelemetrie (Telehealth) und Medikamenten-Zuführsysteme sind bekannte Beispiele dafür. Diese Portabilität wirkt sich erheblich auf die in den Geräten angewandten Technologien aus. Die meisten tragbaren Anwendungen sind für eine bequeme Benutzung batteriebetrieben. Dies schränkt jedoch den Energieverbrauch erheblich ein, will man eine lange Betriebsdauer erreichen.

Auch die Größe der Batterie ist zu minimieren, will man bequeme und nahezu »unsichtbare« Geräte anbieten. Nicht zuletzt müssen sich portable Anwendungen drahtlos mit anderen Geräten verbinden können, ohne die oben genannten Anforderungen bezüglich Miniaturisierung und Leistungsverbrauch zu beeinträchtigen. Eine weitere Markttendenz, die auch bei tragbaren Medizingeräten zu beobachten ist, ist der ewige Drang nach mehr Funktionen und Leistung bei niedrigeren Kosten und höherer Qualität für den Endverbraucher.

Portable Medizingeräte erfordern immer höhere Performance bei der Datenverarbeitung und Vernetzung, während sie gleichzeitig beim Leistungsverbrauch, dem Geräte-Formfaktor und der Zuverlässigkeit extreme Auflagen zu erfüllen haben. Somit ist es für die Body-Area-Networks (BANs) absolut ausschlaggebend, drahtlos zwischen verschiedenen miniaturisierten, körpernahen Sensorknoten, Handgeräten und der globalen Infrastruktur (z.B. Internet) kommunizieren zu können.

Die in solchen Netzwerken angewandten Sensoren und Mikrosysteme müssen klein, leicht, energieeffizient, einfach in der Handhabung und rekonfigurierbar sein. Ein weiterer Wegbereiter für WBANs (Wireless BAN) ist die »intelligente« Sensorik. Dazu müssen die Sensorknoten die aufgenommenen Körpersignale bestmöglich konditionieren sowie für eine energieeffiziente Signalverarbeitung und -übertragung sorgen.

Der Forschungsplan des EU-Projektes »WiserBAN« (siehe Kasten »Überblick über das »WiserBAN«-Projekt«) sieht die äußerste Miniaturisierung von BAN-Geräten vor und wird sich dabei auf MEMS-basierte Funk-SoCs (Micro Electro-Mechanical Systems; System-on-chip) mit niedrigstem Leistungsverbrauch, HF- und Niederfrequenz-MEMS und Minibauteile konzentrieren und rekonfigurierbare Kleinstantennen, miniaturisierte und kostengünstige SiP (System-in-Package) sowie Sensor-Signalverarbeitung und flexible Kommunikationsprotokolle enthalten. Dank eines umfassenden Top-down-System-Lösungsansatzes soll WiserBAN den heutigen Stand der Technik erheblich weiterentwickeln, auf dem Gebiet der BAN wichtige technologische Durchbrüche ermöglichen und eine innovative Lösung bieten.

Überblick über das »WiserBAN«-Projekt
WiserBAN ist ein von der EU finanziertes Projekt, welches sich mit drahtlosen Body-Area-Networks befasst. Dabei geht es darum, die persönlichen Wahrnehmungsfähigkeiten durch den Einsatz winziger und unauffälliger Sensorknoten mit langer Lebensdauer zu verbessern. WiserBAN befasst sich vorwiegend mit folgenden trag- und implantierbaren Anwendungsfällen: Hörgeräte, Herzschrittmacher, Insulinpumpen und Cochlea-Implantate. Bei solchen Anwendungen, wo Miniaturisierung und Unauffälligkeit ein Muss sind, lässt sich mit den heutigen unhandlichen und energieintensiven Drahtloslösungen nur eine beschränkte Funkverbindung und Autonomie erzielen. WiserBAN will dank eines äußerst kompakten Funkmoduls mit niedrigstem Energieverbrauch in der drahtlosen Mikrosystemtechnologie neue Maßstäbe setzen, BANs ermöglichen und neue Produktperspektiven für tragbare und implantierte Geräte für Lifestyle- und Biomedizinanwendungen eröffnen. Es wird erwartet, dass das WiserBAN-Projekt die Lebensqualität der Europäer insbesondere aller eingeschränkten und behinderten Personen jeden Alters, die Implantate oder medizinische Geräte tragen, durch einen bequemeren und erleichterten Zugang zur Informations- und Kommunikationstechnologie erheblich beeinflussen wird. Auch das Risiko sozialer Ausgrenzung sollte dank der Tatsache vermindert werden, dass die Geräte, die bis dahin eine Behinderung darstellten, für Personen im engen persönlichen und beruflichen Umfeld eines Trägers unbemerkt bleiben. Das WiserBAN-Konsortium besteht aus führenden Forschungsorganisationen, Universitäten und Unternehmen aus ganz Europa: CSEM (Koordinator), RTD Talos, CEA, Fraunhofer, VTT, Sorin, TDK-EPC (Epcos), MED-EL, Siemens Audiologische Technik, Debiotech, Signal Generix, Technische Universität Berlin und Universität Bologna. Das Budget beträgt etwa 10 Mio. Euro bei einem EU-Beitrag von knapp 7 Mio. Euro im Rahmen des Siebten EU-Rahmenprogramms unter der Leitung der REA (Research Executive Agency) gemäß der Subventionsvereinbaung Nr. 257454. Das Projekt begann im September 2010 und dauert 36 Monate.

In dem Projekt geht man von realen Anforderungen und Gebrauchsszenarien aus, bereitgestellt von führenden europäischen Industrien der Medizintechnik und Biomedizin, und entwickelt daraus die entsprechenden Technologiebausteine, um die Größe und den Leistungsverbrauch um mindestens eine Größenordnung gegenüber bestehenden Lösungen zu reduzieren. Dies gipfelt dann in der Realisierung eines hochinte-grierten Mikrosystems, das die Funktionen Funk, Antenne und Datenverarbeitung für die gewünschten Anwendungen in sich vereinigt.

Vorteile des SoC-Ansatzes

Der Trend zu immer kleineren Medizingeräten macht den Einsatz von SoCs äußerst attraktiv. Sie bieten folgende Vorteile: Eine Vielzahl sehr leistungsfähiger Funktionen können auf einem einzigen Stück Silizium implementiert werden. Komplexe Mikroprozessoren und Speicher lassen sich einsetzen, um Flexibilität und Konfigurierbarkeit zu erreichen. Geschütztes IP (Intellectual Property; geistiges Eigentum) eignet sich zur Individualisierung und auch zum Schutz der Endanwendung.

Dank der verkürzten Materialstückliste sowie der Benutzung ausgereifter Produktionsverfahren kann eine hohe Funktionssicherheit erreicht werden. Auch wenn Mikroelektronik- und SoC-Lösungen viele medizintechnische Produkte ermöglichen, so benötigen die heutigen drahtlosen SoCs immer noch etliche externe Komponenten wie Schwingquarze, HF-Filter sowie Elemente zu Antennenanpassung oder Leistungsüberwachung, die sich mit der heutigen Mikroelektronik nicht realisieren lassen und spezifische Anforderungen an das Packaging haben.

Darüber hinaus werden diese Teile oft über eine Leiterplatte mit einem SoC verbunden. Auch wenn dies zu kleinen Formfaktoren führt, so sind ultrakompakte Lösungen für implantierte Geräte einzig mit SoC- oder Mikroelektroniklösungen nicht machbar. Miniaturisierung ist somit ein Wegbereiter für viele BAN-Anwendungen. Dies lässt sich zum Beispiel anhand von Hörgeräten verdeutlichen. Auf der einen Seite der Produktpalette gibt es die ziemlich großen »Hinter-dem-Ohr«-Geräte.

In diese kann man heute nebst der Audioverarbeitung eine Vielzahl von Funktionen wie etwa Hochleistungsfunkkommunikation (z.B. Bluetooth) packen, weil genug Platz für zusätzliche elektrische Systeme und stärkere Batterien zur Verfügung steht. Andere Produktsegmente betreffen die winzigen »Im-Ohr«-Geräte, bei denen aufgrund der äußerst eingeschränkten Größe nur begrenzt drahtlose Funktionen eingebaut werden können, was die Kommunikationsdistanz, Übertragungsrate und Autonomie beeinträchtigt. Aus diesem Grund würde die Verfügbarkeit von ultrakompakten Funkmikrosystemen mit hoher Datenkommunikationsleistung sicher neue Möglichkeiten für Hörgeräte eröffnen. Dank diesen könnten nämlich sogar die winzigsten Im-Ohr-Geräte von hochentwickelten Kommunikationsfähigkeiten profitieren, die für den Einsatz innerhalb größerer Multimedia-Anwendungen erforderlich sind.

Die gleichen Überlegungen gelten auch für viele tragbare und implantierte Geräte, zum Beispiel für Herzschrittmacher und Cochlea-Implantate, Insulinpumpen, etc. Die drahtlose Mikrosystemtechnologie soll durch WiserBAN insbesondere auf folgenden Gebieten neue Maßstäbe setzen (Bild 1): Miniaturisierung durch die Entwicklung eines auf MEMS basierenden Funkgerätes unter Verwendung von HF-, ZF- und NF-MEMS (Hoch-, Zwischen- und Niederfrequenz); Als Zielgröße  wird 4 mm x 4 mm x 1 mm angepeilt. Damit soll eine etwa 50fache Verbesserung gegenüber modernsten PAN-Lösungen erreicht werden.

Autonomie dank eines Funkgerätes mit extrem niedrigem Energieverbrauch, der 20- bis 50mal geringer sein soll als derjenige bestehender PAN-Lösungen wie ZigBee oder Bluetooth. Es soll im aktiven Betrieb bei einer Speisespannung von unter 1 V aus winzigen Batterien nur einige Milliampere Strom verbrauchen. »Intelligentes« Mikrosystem, das Signalverarbeitung und -übertragung kombiniert.

Dies soll mit der Entwicklung von SoCs mit niedrigem Energieverbrauch realisiert werden, die den HF-Schaltkreis mit einem digitalen Signalprozessor (DSP) auf einem CMOS-Chip in 65-nm-Technologie integriert. Modulares und kostengünstiges 3D-SiP (System in Package), auf dem die verschiedenartigen WiserBAN-Technologien und -Bauteile mit integriert werden. Miniantennen mit anpassungsfähigen Nenndaten, die 10mal kleiner sind als bestehende 2,4-GHz-Lösungen und Ausbreitungsaspekte auf und im Körper mitberücksichtigen.

Flexible Kommunikationsprotokolle mit geschützten MACs (Media Access Control) beziehungsweise Protokollen sowie der Übereinstimmung mit ausgewählten bestehenden Protokollen (z.B. Bluetooth Low Energy, IEEE 802.15.6). Entwicklung von Prototypen zur Veranschaulichung der WiserBAN-Technologie bei tragbaren und implantierten BAN-Knoten im Zusammenhang mit Gesundheits- und Lifestyle-Anwendungen.

Von der Forschung zur Industrialisierung

Die Ziele von WiserBAN richten sich nach den strengen und konkreten Anforderungen der industriellen Projektpartner: Siemens für Hörapparate, Sorin für Herzschrittmacher, Med-El für Cochlea-Implantate und Debiotech für Insulinpumpen. Darüber hinaus wurden etliche andere Anwendungsfälle auf anderen Gebieten festgelegt (z.B. »Ambient Intelligence«, Hausautomatisierung), was aufzeigt, wie groß das Nutzungspotenzial derartiger Technologien ist.

Die Ausarbeitung der Spezifikationen und Gebrauchsszenarien hat das große Bedürfnis nach ultrakompakten Funkverbindungslösungen mit niedrigstem Energieverbrauch zur Realisierung neuartiger Mehrwertprodukte deutlich aufgezeigt. Das WiserBAN-Projekt ist in drei Phasen gegliedert: Im ersten Schritt ist da die Forschung und Entwicklung bezüglich einzelner Testvehikel zur unabhängigen Validierung der Technologiebausteine (2011).

Die zweite Phase besteht aus der Systemintegration zur Realisierung des Prototyps des WiserBAN-Mikrosystems (2012). Münden soll dies in der Verfügbarkeit eines kompletten 2,4-GHz-Kommunikationsmikrosystems mit eingebautem Kommunikationsprotokoll und Antennen, die in trag- und implantierbaren Prototypen integriert sind (2013). Der Erfolg des Projekts entscheidet sich dennoch erst, wenn die Technologie in kommerziellen Lösungen angewandt wird.

Zu diesem Zweck wurden zwei Hauptnutzungswege festgelegt: Ein Weg läuft über die Industriepartner des Projekts in deren jeweiligen neuen Produkten. Dabei ist es von Vorteil, dass sich das WiserBAN-Konsortium aus Akteuren und kleineren und mittleren Unternehmen (KMUs) zusammensetzt, die auf ihren Gebieten in Europa mit einem breiten Angebot an tragbaren und implantierten Geräten führend sind. Der andere Nutzungsweg läuft über die Forschungs- und Technologieentwicklungspartner (FTE) des Projekts. Diese werden die WiserBAN-Technolgien bei ihren regulären Kundenstämmen auf anderen Gebieten, zum Beispiel Ambient-Intelligence oder Hausautomatisierung einsetzen.

Zudem verfügen die FTE-Partner über Erfahrung beim Aufbau von Start-up-Unternehmen, was ein äußerst dynamischer Ansatz für die Verwertung der Technologiebauteile sein kann. Eine für europäische Projekte typische Schlüsselfrage ist, mit welchen Industrialisierungsmitteln die Forschungsergebnisse in die Industrie transferiert werden können. Das WiserBAN-Konsortium macht sich bei dieser wichtigen Frage die Fähigkeiten der HTA Alliance zunutze, die im Konsortium durch CSEM, CEA, VTT and IZM vertreten ist.

Die HTA vereinigt die Erfahrungen dieser vier europäischen Forschungsinstitute und bietet europäischen Unternehmen transnationales Fachwissen auf den Gebieten der Mikroelektronik und Mikrosystemen. Insbesondere wird der kommerzielle Arm der HTA, das Unternehmen 4-Labs, die industriellen Partner bei der Umsetzung der industriellen Anforderungen der Endanwender und der europäischen Industrien auch über das Ende des WiserBAN-Projektes hinaus unterstützen (Bild 2).

4-Labs möchte allen Unternehmen, die ihren Marktanteil vergrößern oder das durch WiserBAN geschaffene neue Marktpotenzial erforschen möchten, eine zentrale Anlaufstelle bieten. 4-Labs wird verantwortlich sein für:

  • Die kommerziellen Angebote sowie administrative Fragen und die des gewerblichen Rechtsschutzes.
  • Die HF-SoC-Industrialisierung über das Fabless-ASIC-Produktionsdienstleistungsangebot von CSEM. Innerhalb dieses Dienstleistungsangebots beaufsichtigt das CSEM Produktionen von kleinen bis mittleren Stückzahlen (wenige hunderttausend Stück), einschließlich der Logistik für die Industrialisierung. Bei Großproduktionen (mehrere hunderttausend Stück), kann der ASIC-Service des CSEM auf ein Netzwerk von Großzulieferern zurückgreifen, um den Kunden ASIC-Lösungen zu liefern.
  • Die HF/ZF/NF-MEMS-Industrialisierung über die HTA-Mitglieder CEA und VTT, in enger Zusammenarbeit mit TDK-EPC (Epcos) zur wirksamen Nutzung derer großen Industrialisierungs- und Produktionskompetenzen.
  • Die Industrialisierung der SiP-Plattform über den HTA-Partner IZM zusammen mit TUB. Diese Partner werden Prototypen und Kleinproduktionen liefern sowie für die Massenproduktion reife Technologien an die SiP-Industrie zur Herstellung großer Mengen transferieren.

Über die Autoren:

Dr. Vincent Peiris, Dr. Dragan Manic und Simon Gray arbeiten alle im Bereich Integrated & Wireless Systems des CSEM.

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