Stromversorgung von Wearables Lang lebe die Knopfzelle

Knopfzellen in medizinischen Wearables müssen lange Zeit zuverlässig arbeiten.
Knopfzellen in medizinischen Wearables müssen lange Zeit zuverlässig arbeiten.

Medizinische Wearables müssen lange zuverlässig funktionieren. Die Stromversorgung hängt oftmals nur an einer kleinen Knopfzellenbatterie, die viele Monate oder sogar Jahre ohne Wartung auskommen muss. Dieser Beitrag zeigt Methoden, mit denen die Lebensdauer von Knopfzellen verlängert werden kann.

Ein Netzwerk aus physikalischen Geräten, die miteinander interagieren und kommunizieren und anschließend entsprechende Maßnahmen ergreifen, bietet nützliche Informationen. Dazu zählen zum Beispiel Geräte, die den Nutzer informieren, wenn der Kaffee fertig ist, wenn das Programm des Trockner zu Ende ist oder Wasser durch ein Leck in unsere Wände eindringt. Allerdings sind die Kosten für die Wartung oder den Batteriewechsel ein Hindernis für die Einführung derartiger Wearables oder IoT-Systeme.

Das Internet der Dinge ist auch im Gesundheitswesen nützlich, zum Beispiel können mit Sensoren verschiedene medizinische Parameter im menschlichen Körper gemessen und überwacht werden. Mit den gesammelten Daten – wie Herzfrequenz, Puls, Blutdruck, Körpertemperatur und Blutzucker – kann das medizinische Personal die Gesundheit von Patienten überwachen, auch wenn diese sich außerhalb des Krankenhauses befinden. Wearables – wie Smartwatches, intelligente Textilien und Sensorenarmbänder, die auf die Haut geklebt werden – können Echtzeit-Informationen für den Gesundheitsdienstleister über eine gesicherte Cloud-Computing-Datenbank bereitstellen.

Für die Datenerfassung müssen die Patienten die Überwachungsarmbänder einige Zeit am Körper tragen. Da viele intelligente Geräte batteriebetrieben sind, ist es wichtig, dass sie eine geringe Leistungsaufnahme aufweisen und mit effizienten Stromversorgungsschaltkreisen ausgestattet sind.

Bausteine eines Wearables

Um die Batterielebensdauer oder die Zeit bis zum nächsten Batteriewechsel richtig einschätzen zu können, ist es notwendig, die verwendeten Blöcke der Schaltungen zu verstehen. Insgesamt bilden fünf Blöcke die Grundbausteine eines Wearables: die Knopfzelle, die Stromversorgungsschaltkreise, Sensoren, ein stromsparender ASIC (Anwendungsspezifische integrierte Schaltung) oder Prozessor sowie der Funkblock. Jeder Block weist eigene Merkmale auf, um ein effizientes, intelligentes und tragbares Gerät zu schaffen (Bild 1).

Umgebungssensoren, die physi­kalische Parameter wie Temperatur, Feuchtigkeit, Druck, Wasser- und Luftverschmutzung aufbereiten, und medizinische Sensoren, die medizinische Parameter im menschlichen Körper messen, sowie andere Sensoren wie Beschleunigungsmesser, Gas- und Feuchtigkeitssensoren, sammeln Echtzeitdaten aus ihrer Umgebung und senden sie an den stromsparenden ASIC (Bild 2) zur weiteren Verarbeitung.

Die gesammelten Sensordaten können über den ASIC oder einen Prozessor gespeichert und analysiert werden. In implantierbaren medizinischen Miniaturgeräten, kann die Entwicklung einer neuen Kategorie von ASICs erforderlich sein. Neue ASICs mit geringer Leistungsaufnahme können bestimmte Operationen sehr effizient ausführen, wodurch sowohl die Schaltungsgröße als auch die für den Betrieb erforder­liche Stromaufnahme verringert wird.

Da ASICs mit geringer Leistungsaufnahme nur die Energie nutzen, die für eine bestimmte Aufgabe erforderlich ist, wird keine Energie für unnötige Funktionen verschwendet. Somit können kleinere Batterien zum Einsatz kommen, um den Platzbedarf des Systems zu verringern oder die Lebensdauer der Batterie zu erhöhen.