Elektronik für medizinische Wearables Vom Front-End bis zum Mikrocontroller

Der Markt für Wearables zur Gesundheitsüberwachung wächst stetig.
Der Markt für Wearables zur Gesundheitsüberwachung wächst stetig.

Wearables zur Gesundheitsüberwachung werden immer wichtiger. Damit sie sinnvoll eingesetzt werden können, müssen sie kleiner werden, weniger Strom aufnehmen und trotzdem zuverlässig und genau messen. Neben Biosensoren werden dafür neue Mikrocontroller, Sensor-Hubs und analoge Front Ends benötigt.

Die Menschen werden immer älter. Das bedeutet jedoch auch, dass immer mehr Menschen pflegebedürftig werden und ihre Gesundheit ständig überwacht werden muss. Gleichzeitig nehmen auch Zivilisationskrankheiten zu. So gab es zum Beispiel nach Schätzungen der Weltgesundheitsorganisation WHO im Jahr 2014 422 Millionen erwachsene Diabetes-Patienten. Dies entspricht 8,5 % aller Erwachsenen über 18 Jahre, womit sich die Anzahl der Betroffenen seit 1980 (damals 4,7 %) nahezu verdoppelt hat. Für Diabetes-Patienten ist eine regelmäßige und konsistente Blutzuckerüberwachung ein wichtiger Teil ihres täglichen Umgangs mit ihrem Gesundheitszustand, um mögliche Komplikationen zu vermeiden.

Um auch kranken und alten Menschen ein möglichst beschwerdefreies Leben zu ermöglichen, werden Wearables in Zukunft eine immer wichtigere Rolle spielen. Um eine kontinuierliche Überwachung zu ermöglichen, ohne den Komfort des Patienten einzuschränken, müssen die Wearables möglichst klein sein, ihre Daten drahtlos übertragen und möglichst wenig Strom aufnehmen, damit die Batterien lange halten. Gleichzeitig müssen die Wearables hohe Ansprüche an Genauigkeit und Zuverlässigkeit erfüllen.

Die benötigten Biosensoren werden seit einiger Zeit immer kleiner. So steigt die Zahl der Anwendungen im Fitnessbereich, aber auch im Medizin-Bereich tut sich einiges. Doch Wearables bestehen nicht nur aus Sensoren. Auch Sensor-Hubs, Mikrocontroller und Analoge Front Ends (AFE) werden vermehrt benötigt.

Biosensor-Plattformen

Das belgische Forschungsinstitut Imec und das Holst-Zentrum in Holland haben zusammen einen Sensor-Hub für Wearable-Gesundheitsanwendungen entwickelt (Bild 1). Der Sensor-Hub ist als System-on-Chip (SoC) entworfen und kombiniert eine große Anzahl von biomedizinischen analogen Schnittstellen zusammen mit digitaler Signalverarbeitung. Der Sensor-Hub soll Wearables ermöglichen, die klein und effektiv sind und trotzdem exakte Messungen durchführen können.

Zu den analogen Schnittstellen gehören drei EKG-Kanäle, ein Kanal für Photo-Plethysmographie (PPG), ein Kanal zur Messung der Hautleitfähigkeit, zwei Multi-Frequenz Bio-Impedanz-Kanäle und drei rekonfigurierbare Kanäle. Als Mikrocontroller wird ein ARM Cortex M0+ verwendet.

Auch HMicro und STMicroelectronics arbeiten zusammen an Biosensor-Plattformen für drahtlose Wearables. Das Ziel ist eine Single-Chip-Lösung für kliniktaugliche, für den Einmalgebrauch vorgesehene intelligente Pflaster und Biosensoren.

Das erste Produkt dieser Zusammenarbeit, der HC1100-Chip, zielt auf die 5 Milliarden leitungsgebunden Wearable-Sensoren, die jedes Jahr beispielsweise für die Vitalzeichen-Überwachung und EKG-Ableitungen benötigt werden. Der Chip auf der Basis von WiPoint enthält drei stromsparende Funk-Schaltungen für Wi-Fi, Ultra-Wideband, und Medical Band (MBAN), mehrere Sensorschnittstellen, einen ARM Cortex M0 Applikationsprozessor, 352 KB RAM und Power-Management-Schaltungen. Die Multi-Sensor-Schnittstellen unterstützen die Messung der Herzfrequenz, der Sauerstoffsättigung im Blut und der Atmung und erlauben den Anschluss von MEMS -Mikrofonen und MEMS-Bewegungssensoren, um durch Aktivitätserkennung das Verhalten des Patienten zu detektieren und zu überwachen.

Die WiPoint-Technologie und der HC1100, in dem sie zum Einsatz kommt, sind die ersten Ergebnisse der engen Zusammenarbeit zwischen HMicro und ST. Im nächsten Schritt werden die Unternehmen diese Technologieplattform für weitere stückzahlintensive Applikationen im klinischen Bereich und im Industrial IoT nutzen.