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Kleiner, schneller, komfortabler

Elektronik als Trendsetter in der Medizintechnik

19. April 2012, 12:01 Uhr   |  Markus Vogt

Elektronik als Trendsetter in der Medizintechnik
© EBV Elektronik

Einige der Medizintechnik-Trends wie Telehealth, mobile EKG-Geräte, Kamerapillen oder auch die »Consumer Medical Devices« werden durch Elektronik erst möglich. Neben dem medizinischen Fortschritt treiben dringend nötige Einsparungen im Gesundheitswesen diese Entwicklungen voran und eröffnen Anbietern professioneller Elektronik ungeahnte Wachstumsmärkte.

Angesichts der rasant steigenden Kosten im Gesundheitssystem bei gleichzeitig zurückgehender Ärztedichte in strukturschwachen Regionen stellt die Fernüberwachung von Vitalfunktionen (neudeutsch »Telehealth«) einen vielversprechenden Lösungsansatz dar. Kann der behandelnde Arzt den Gesundheitszustand des Patienten bei Bedarf kontinuierlich auf seinem Bildschirm verfolgen, entfallen regelmäßige Besuche der Patienten in der Arztpraxis ebenso wie - noch kostspieligere - Hausbesuche beim Patienten.

Telehealth-Systeme erfassen die Vitalparameter über vorübergehend am Körper befestigte oder in die Kleidung integrierte Sensoren. Beim Sammeln und Übertragen der Daten spielen drahtlose Techniken eine wesentliche Rolle für die Akzeptanz der Systeme im Patientenalltag - werden Verkabelungen am Körper beispielsweise für Mehrtages-EKGs gerade noch toleriert, so ist im Falle chronischer Erkrankungen mit dauerhaftem Tele-Monitoring nur eine drahtlose Lösung denkbar. Ein zentrales »Daten-Gateway« in der Wohnung des Patienten sammelt die drahtlos eingehenden Daten, konsolidiert sie und gibt sie in voreingestellten Abständen manipulationssicher verschlüsselt über das Internet an die elektronische Patientenakte auf einem zentralen Server weiter.

Bisher kochen die Anbieter hier ihr eigenes Süppchen: Ein tragbares Glukose-Messgerät des Herstellers A kommuniziert nur mit einem Datensammler desselben Unternehmens und verweigert den Datenaustausch mit dem System des Anbieters B. Für eine (auch wirtschaftlich) optimale Telehealth-Infrastruktur sind Standards für eine Interoperabilität zwischen Geräten verschiedener Hersteller jedoch unverzichtbar. Dieses Ziel verfolgt eine Vielzahl von Halbleiter- und Endgeräteherstellern im Rahmen der »Continua Health Alliance«.

Das Konsortium fasst End-geräte wie Aufnehmer für Blutdruck, Blutzucker oder Blutsauerstoff, aber auch Waagen, Thermometer, Aktivitätsmesser, Kardiovaskulär-Monitore oder »intelligente« Medikamentenboxen in sogenannten Device-Classes zusammen und regelt Formate und Protokolle für den Datenaustausch. Neben ZigBee (drahtlos) und USB (drahtgebunden) hat die Continua Health Alliance unlängst auch Bluetooth Low Energy als Datenübertragungsstandard aufgenommen. Für Telehealth-Anwendungen spielt die Batterielebensdauer eine weit größere Rolle als die Datenrate, die mobilen Geräte sind daher die meiste Zeit im Ruhezustand und werden für die Datenübertragung nur so kurz wie möglich aktiv. Als typischen Wert nennen Experten 3 ms für den Verbindungsaufbau (Pairing), die Datenübertragung und das Schließen der Verbindung.

Für die Realisierung der Drahtlos-Schnittstelle hat der Distributions-Spezialist EBV Elektronik eine Vielzahl von Wireless-Modulen im Lieferprogramm und arbeitet für die Zertifizierung der jeweiligen Lösung nach Standards wie IEC 60601-1 mit dem Unternehmen ConnectBlue zusammen. Dieser Nachweis erhöhter Qualitäts- und Sicherheitswerte beispielsweise im EMV-Bereich erleichtert die Zulassung des Endgeräts für den OEM enorm.

Diagnostik und Klinik

Elektronik sorgt dafür, dass Medizingeräte immer kompakter und energieeffizienter werden. Besonders deutlich wird dies auf dem Gebiet der EKG-Messung. Für die Messwert-erfassung und -aufbereitung zur Erstellung eines Elektrokardiogramms ist eine aus Elektroden, Vorverstärkern, Analog-filtern, A/D-Wandler und Digitalfiltern bestehende Messkette erforderlich, die bisher in einem stationären EKG-Gerät mit vielen Kanälen aus bis zu 60 Bauelementen bestand. Komplette analoge Frontend-ICs von Herstellern wie Texas Instruments, STMicroelec-tronics oder Freescale verringern den Bauteilaufwand und die Stromaufnahme erheblich und ermöglichen Lösungen mit nur einem Chip und wenigen Peripheriebausteinen.

Die meisten Ansätze bestehen aus einer Kombination des Analog-Front-end-ICs für bis zu acht Kanäle mit einem über Standardschnittstellen wie SPI angebundenen Mikrocontroller. Dagegen integriert eine Lösung von Freescale, die besonders auf tragbare EKG-Geräte mit bis zu zwei Kanälen zielt, neben einem Operations- und einem Instrumentenverstärker, Filterstufen und einem A/D-Wandler auch einen »Kinetis«-Mikrocontroller mit »ARM Cortex«-Kern in einem Chip und eignet sich so für besonders kompakter und stromsparende Geräte für dieses Marktsegment. Experten rechnen bei EKG-Anwendungen für die Zukunft mit weiteren Innovationen wie drahtlosen Einweg-Sensoren mit vollständig in der aufklebbaren Elektrode integriertem Funksystem. Bisher liegen die Kosten für diese Lösung noch deutlich über denen mit dem traditionellen Ansatz wiederverwendbarer, verdrahteter Saugnapf-Elektroden, doch der technische Fortschritt in Kombination mit den steigenden Personalkosten im Gesundheitswesen könnte in naher Zukunft zum Durchbruch dieses Ansatzes führen.

Auch in der Klinik verhilft Elektronik Ärzten wie Patienten zu neuen, schonenderen und sichereren Diagnosen und Therapien. So erfolgen Koloskopien (Spiegelungen des Dickdarms) bisher mit schlauchartigen Endoskopen, an deren Ende ein Kameramodul mit Beleuchtung sitzt und die meist über einen Arbeitskanal für die Einführung kleiner Instrumente zur Entnahme von Gewebeproben beziehungsweise Polypen verfügen. Bisher werden diese Endoskope nach einem sehr aufwändigen Sterilisationsprozess mit nicht immer eindeutigem Ergebnis mehrfach wiederverwendet - Einweg-Lösungen wären also durchaus vorteilhaft. Mithilfe geeigneter, kostengünstiger Elektronik sind die Hersteller auf dem Weg, den Preispunkt für Einweg-Endoskope zu senken und haben in manchen Ländern den Break-Even bereits erreicht. Auch erlauben neue Entwicklungen, die bisher aufgrund aufwändiger Mechanik eher starren Endoskope deutlich flexibler, weicher und am Kopf lokal elektrisch in viele Richtungen drehbar zu machen. Damit wird der Vorgang für den Patienten deutlich weniger schmerzhaft, und die Gefahr von Verletzungen der empfindlichen Darmschleimhaut sinkt.

Für die Untersuchung des Dünndarms eignen sich so genannte Kamerapillen, die der Patient schluckt und die anschließend dem natürlich Verdauungsweg folgend laufend Bilder des Dünndarm-Inneren erstellen und drahtlos an einen am Körper befestigten Empfänger senden. Bestimmte bisher die Darmperistaltik des Patienten die Ausrichtung und Fortbewegung der Kamerapille im Darm, so ermöglicht eine neu entwickelte Technik eine aktive Steuerung von horizontaler und vertikaler Position, Neigung und Rotation der Kamerakapsel mittels veränderlicher Magnetfelder und somit eine gezielte Untersuchung kritischer Partien.

Consumer Medical Applications

Neben den professionellen, umfangreichen und strengen Zulassungsverfahren unterliegenden medizinischen Geräten öffnet sich ein weiterer, für Elektronik-Anbieter sehr lukrativer Markt: die so genannten »Consumer Medical Applications« - also Geräte der Konsumelektronik für die Messung und Darstellung von Gesundheits- oder auch Fitnessparametern, aber ohne Zulassung als Medizingerät. Obwohl diese Systeme meist mit der gleichen oder einer ähnlichen Technik arbeiten wie professionelle, zugelassene Medizingeräte, ist weder die korrekte Funktion noch die Relevanz der Ergebnisse durch Zulassungen garantiert. Mit dieser Geräteklasse, die Lifestyle-Charakter hat, also »schick« aussehen und eine ansprechende Bedienoberfläche aufweisen  muss, können die Elektronikhersteller die hohen Zulassungshürden vermeiden, gleichzeitig tut sich ein großes Stückzahlpotenzial auf.

Beispiele sind Pedometer (Schrittzähler) oder Blutdruckmessgeräte, die mit dem Smartphone kommunizieren. So liefert das US-amerikanische »Fitbit«-System mit Beschleunigungssensor und Höhenmesser in einem kleinen, tragbaren Clip nicht nur Schritt- und Bewegungsdaten, sondern erlaubt auch die Analyse der Schlafphasen. Interessant wird das Ganze jedoch erst durch die zugehörige App, die ein ausgefeiltes Belohnungs- und Vergleichssystem bereitstellt. Für einen Vergleich mit anderen Fitbit-Anwendern müssen die eigenen Daten für die Community sichtbar gemacht werden - nicht jedermanns Sache, aber für die Generation Facebook sicher keine große Akzeptanzhürde.

Über den Autor:

Markus Vogt ist Vertical Segment Director Medical EMEA bei EBV Elektronik.

EBV deckt das gesamte Blockdiagramm ab
Mit seiner Linecard ist die EBV Elektronik in der Lage, das gesamte Blockdiagramm medizinischer Geräte abzudecken. Von der Sensorik bis zur Kommunikation, vom User-Interface bis zur Stromversorgung: Entwickler finden die passenden Halbleiter im EBV-Portfolio. Dabei geht das Angebot weit über die reine Distribution hinaus. In einem eigenen Medical-Vertriebssegment gebündelt stellt das Unternehmen seinen Kunden die Kompetenz eines zehnköpfigen Expertenteams zur Verfügung, das bei Fragen der Zulassung und Zertifizierung ebenso berät wie bei der Suche nach den optimalen Komponenten und Modulen. Spezielle Anforderungen des Medizinsektors bezüglich Ausfallzeit, Langzeitverfügbarkeit oder Energieeffizienz können die EBV-Experten an der Schnittstelle zwischen Komponentenhersteller und Geräteentwickler ebenso managen wie die Vorstellungen und Vorgaben bezüglich des Stromverbrauchs tragbarer Lösungen. Laut Markus Vogt, Vertical Segment Director Medical EMEA bei EBV, kann das Unternehmen auf diese Weise beide Parteien dabei unterstützen, innovative Lösungen für den Medizintechnik-Markt zu entwickeln und so auch den Halbleiterherstellern wichtige Impulse für zukünftige Lösungen geben.

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