Medizintechnik Funksysteme für Wireless-Sensoren

Durch die Überwachung und Messung mit Hilfe oral einnehmbarer, implantierbarer und am Körper tragbarer Wireless-Sensoren lässt sich die Gesundheit des Menschen verbessern. Falls die Sensoren kontinuierliches Datenstreaming ermöglichen, stehen noch mehr Echtzeit-Informationen für Analysen zur Verfügung.

Die Eigenschaften des dazu erforderlichen Funk-Transceivers zählen in solchen Medizinapplikationen zu den besonderen Herausforderungen. Jede Applikation stellt unterschiedliche Anforderungen an das Funksystem. Dies lässt erkennen, dass eine Größe bzw. Ausführung nicht für alle Lösungen passt.

Bei Funksystemen, die in Implantaten und einnehmbaren Sensoren verwendet werden, muss die Funkkommunikation durch Körpergewebe erfolgen. Das Gewebe wiederum dämpft HF-Signale bei höheren Frequenzen.

Wenn zum Austausch der Batterie eine Operation erforderlich ist, muss der Energieverbrauch unbedingt minimiert werden. Funksysteme arbeiten somit mit einem bestimmten Tastverhältnis. Sie befinden sich meist im Sleep-Modus, wo sie nur einen extrem geringen Leckstrom aufnehmen. Auch verlangen sie effiziente Wakeup-Mechanismen zur Iniziierung der Kommunikation sowie einen geringen Energieverbrauch im Betrieb.

Was die Datenrate angeht, stellen implantierbare Applikationen keine besonders hohen Anforderungen. Dies trägt zu einer längeren Batterielaufzeit bei. Weiter verlängern lässt sich die Batterielaufzeit durch den Einsatz von Funksystemen mit höheren Datenraten, um das Tastverhältnis zu reduzieren.

Zu den einnehmbaren Applikationen zählen in Tablettkapseln untergebrachte Kameras, die Tausende qualitativ hochwertiger Bilder aus dem Verdauungstrakt liefern. Andere Applikationen wie solche, die Medikamente abgeben und den Säuregehalt im Verdauungstrakt überwachen, gehören ebenfalls dazu. Solche Applikationen verlangen ferner Schaltungen, die nur wenig Energie verbrauchen. Dies ergibt sich aus Gründen der Batterieabmessungen und weniger wegen der Lebensdauer der Kapsel.

Zur Messung der elektrischen Aktivität des Herzens und des Gehirns oder des Blutsauerstoffgehalts sind Datenraten von 0,5 bis 5kbit/s erforderlich, um aussagekräftige Signalverläufe zu erhalten.

Die durchschnittliche Leistung ist fast umgekehrt proportional zur Link Datenrate. Ein 100kbit/s Funksystem verbraucht fast halb so viel Energie wie ein 50kbit/s Funksystems bei gleicher Nutzlast – beim Vergleich von HF-Transceivern ist das Verhältnis Energie/bit ein besserer Indikator für die Energieeffizienz als die Stromaufnahme.

Funksysteme mit höheren Datenraten sind oft diejenigen, die höhere Spitzenströme aufnehmen. Dies kann bedeuten, dass zusätzlich zu ihren kleinen Batterien große und daher potenziell mit Leckströmen behaftete Speicherkondensatoren erforderlich sind.

Ein sicheres Kommunikationsprotokoll ist ebenfalls wichtig. Standardprotokolle wie Bluetooth Low Energy oder ZigBee haben fortschrittliche Link- und Netzwerk-Layer. Ihre Stacks können jedoch einen großen Teil des Energieverbrauchs von Funksystemen ausmachen. Die meisten implantierbaren Funksysteme arbeiten daher mit proprietären Protokollen, um den Energieverbrauch, die Effizienz der Kommunikation sowie die Sicherheit zu verbessern.

Externe Wireless Sensoren decken einen großen Bereich von Applikationen ab. Angefangen bei Fitness Monitoren bis hin zu Systemen zur Messung von physiologischen Parametern.

Die heutigen Mess- und Überwachungslösungen für Wireless Personal Area Networks (WPANs) und Wireless Body Area Networks (WBANs) können kontinuierliches Datenstreaming mit geringem Energieverbrauch unterstützen. Während sie bisher mit AA oder AAA Batterien versorgt werden mussten, laufen diese Systeme jetzt mit Micro-Power Batterien.

Unter den Kriterien, die bei der Wahl eines Short-Range Funk-Transceivers für WPANs und WBANs berücksichtigt werden müssen, ist die Versorgungsspannung besonders wichtig. Die meisten Sensoren werden mit einer einzigen Batteriezelle versorgt. Ein Betrieb mit unter 2V ist daher zu bevorzugen. Idealerweise sind die Kurzbereichs-Funk-Transceiver so auszulegen, dass sie mit Spannungen bis hinunter zu 1,1V arbeiten. Dies erhöht die Designflexibilität und senkt die Anforderungen hinsichtlich Power-Management.

Die Ausgangsimpedanz ist wichtig, da sie sich wesentlich auf den Energieverbrauch des PAs (Power Amplifier) auswirkt. Jede Impedanz-Fehlanpassung kann Einfügungsverluste von mehreren dB bewirken.

Auch die Trägerfrequenz beeinträchtigt den Energieverbrauch. Die zwei Optionen für das ISM-Band sind 2,4GHz (WiFi, Bluetooth und ZigBee sind vorherrschend) oder Frequenzen im Sub-GHz-Bereich.

In Lower-Data Rate Überwachungsapplikationen für die Medizin senken Sub-GHz Wireless Systeme den Energieverbrauch und ermöglichen bei einer bestimmten Energie zugleich größere Übertragungsstrecken, da sie über Luftstrecken geringere Laufzeitverluste aufweisen. Das „ruhigere“ Spektrum bedeutet einfachere Übertragungen und weniger notwendige Wiederholungen.

Reghu Rajan ist Strategic Marketing Engineer bei Microsemi.