ISSCC 2013 Analog-Signal-Prozessor für’s Herz

Das belgische Forschungsinstitut IMEC und sein Holst-Center sind seit langem im Bereich »Wearable Electronics« für medizinische Anwendungen aktiv. Auf der diesjährigen ISSCC haben sie jetzt eine Elektronik vorgestellt, die erstmals für die Implantierung im Herzen gedacht ist.

»Die Schaltung eignet sich für Menschen, die an Herzinsuffizienz leiden«, erklärt Chris van Hoof, Program Director Wearable Healthcare bei IMEC. Bisherige Herzschrittmacher können zwar bei Herzrythmusstörungen helfen, aber für Herzinsuffizienzen fehlt ihnen quasi die »Einfühlsamkeit«. Mit dem neuen Schaltkreis vom IMEC, das das Forschungsinstitut zusammen mit Olympus entwickelt hat, können verschiedene Herzsignale gemessen werden. So wird in der rechten und linken Herzkammer sowie im rechten Vorhof die Herzfrequenz genau überwacht. Darüber hinaus liefern ein genauer Bewegungssensor und eine Impedanzmessung im Brustraum wichtige Zusatzinformationen.

Der Analog-Signal-Prozessor (ASP) verfügt entsprechend über drei energieeffiziente intrakardiale Signalauslesekanäle. Wobei jeder Kanal mit einer QRS-Extraktoreinheit (zur Erkennung von Kammerflimmern) und einem dazu parallelen ECG-Prozessor versehen ist. Der ASP stellt auch einen sehr sparsamen Ausgabeschaltkreis zur Verfügung , einschließlich der Information, ob der Patient liegt oder steht, es erfolgt eine einfache Signalanalyse und dann können entsprechende Informationen an einen externen Mikrocontroller weitergeben werden.

Die eigentliche Elektronik wird unterhalb der Haut und außerhalb des Herzens eingesetzt, die drei Messkanäle gehen direkt ins Herz. »Bei dem APS handelt es sich nicht um ein komplettes System, im nächsten Schritt könnte aber auch ein Ultra-Low-Power-DSP zur Weiterverarbeitung der gemessenen Daten integriert werden«, so van Hoof weiter.

Nachdem solche Schaltungen für die Implantierung im Körper vorgesehen sind, ist eine extrem niedrige Leistungsaufnahme vonnöten. Laut van Hoof nutzt das IMEC deshalb für die Impedanzmessung einen Low-Power-Generator, der einen digitalisierten sinusförmigen Strom erzeugt, in Kombination mit einer anpassungsfähigen quantifizierten LUT, mit dem sich einerseits die Leistungsaufnahme deutlich senken lässt, andererseits aber trotzdem noch eine hohe Auflösung realisieren lässt. Der Stromgenerator ermöglicht eine Impedanzmessung mit einem Dynamikbereich von 82dB zwischen 0,1 Ohm bis 4,4 kOhm und einer 35-mOhm-Auflösung bei höchster Genauigkeit (über 97 Prozent). Van Hoof abschließend: »Der implementierte ASP verbraucht lediglich 20 µW, wenn alle Kanäle aktiv sind.«