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Single-Chip-Lösung für »Personal Healthcare Ecosystems«

Von der Klinik ins Wohnzimmer

Glukose-, Blutdruck- oder EKG-Messgeräte werden nicht nur in Klinik oder Praxis, sondern verstärkt auch zu Hause beim Patienten genutzt. Freizeitsportler überwachen ihre körperliche Fitness zunehmend selbst mit medizinischen Geräten. Für Entwickler birgt dieser Trend jedoch neue Herausforderungen: Die Geräte sollen trotz vieler Funktionen kompakt, tragbar und einfach zu bedienen sein, sie müssen sensible Daten speichern und übertragen können. Mit einem hoch integrierten Chip lassen sich diese Anforderungen elegant lösen.

Medizinische Geräte gehen immer öfter »fremd« und kommen nicht nur in der professionellen Medizin, sondern auch im Heimbereich zum Einsatz. Für einen dauerhaften Heimeinsatz müssen sie jedoch in der Lage sein, aufgezeichnete Daten an eine lokale Sammel- und Speicherstelle zu übertragen.

Damit der Nutzer seine Daten und erste Auswertungen mit dem Heim-PC genauso abrufen und sich anzeigen lassen kann, wie mit dem BlackBerry oder iPhone, sollten die Messgeräte mit einer einfachen und gängigen Schnittstelle ausgestattet sein. Viele verfügen bereits über USB, manche auch über Bluetooth, ZigBee oder WiFi.

Bild 1: Typisches vernetztes medizinisches System (Personal Healthcare Ecosystem)

Vom PC oder Handy können Nutzer die Daten dann an Gesundheitsplattformen wie beispielsweise »GoogleHealth« (www.google.com/health) übermitteln und ausgewählten Personen, etwa dem Arzt oder Fitness-Trainer, zur Verfügung stellen.

Um allgemeingültige Standards für ein solches so genanntes »Personal Healthcare Ecosystem« zu schaffen (Bild 1), wurde die »Continua Health Alliance« (www.continuaalliance.org) gegründet.

Über 200 Unternehmen gehören ihr bereits an und haben erste Richtlinien geschaffen.

Für Anwendungen in diesem Bereich hat der Distributor Rutronik jetzt exklusiv mit Infineon eine sehr hoch integrierte Ein-Chip-Lösung entwickelt.

Der Chip ist speziell für »Sports-Activity and Healthcare«- und »Consumer-Medical«-Geräte ausgelegt, mögliche Applikationen reichen von einfachen Herzfrequenzanzeigen im Fitnessstudio oder Fahrradcomputern zur Anzeige von Geschwindigkeit und Tretverhalten über Blutzucker- und Blutdruckmessgeräte bis hin zu Blutsauerstoff-Messeinheiten und Insulinpumpen.

Einer für alles:Single-Chip-Lösung

Das »Single Chip Medical Device MD8710« (Details siehe Absatz und Bild 4) erfüllt die Continua-Richtlinien, sodass sich auf dem Chip basierende Endgeräte einfach in Standard-»Personal-Healthcare-Ecosysteme« integrieren lassen.

Die Leistungsmerkmale der Single-Chip-Lösung »MD8710«

Zentrale Einheit des Bausteins ist ein leistungsstarker Prozessor vom Typ »ARM Cortex-R4«, ergänzt um eine umfassende Memory-Protection-Unit, einen Interrupt-Controller, einen DMA-Controller und einen Watchdog-Timer. Das analoge Frontend (AFE) des Bausteins ermöglicht Anwendungen mit hohen Anforderungen an die analoge Signalverarbeitung.

Es bietet zwei unabhängige 16-Bit-A/D-Wandler und zwei 16-Bit-D/A-Wandler. Die D/A-Kanäle können mit Daten aus einer integrierten »Wavetable« versorgt werden, was zusätzliche DSPs einspart. Zwei konfigurierbare OPVs pro A/D-Wandler bieten die Möglichkeit zur analogen Vorverarbeitung, so lassen sich z.B. Transimpedanzverstärker für Stromeingänge realisieren. Zur weiteren Systemintegration verfügt der MD8710 über einen 12-Bit-A/D-Wandler mit vier externen Hilfsmultiplexeingängen und einen Temperatursensor.

Bild 4: Blockschaltbild »MD8710« von Infineon

Die Möglichkeit zur synchronen Abtastung der A/D-Wandler erlaubt auch komplexe Messungen, wie z.B. die Impedanzspektroskopie zur Blutanalyse. Zum Datenaustausch steht sowohl eine USB-2.0-Schnittstelle als auch ein im Chip integriertes Bluetooth-Modul zur Verfügung sowie I2C-, SPI- und UART-Schnittstellen. Die Power-Management-Unit (PMU) generiert mit wenigen externen Bauteilen alle benötigten Spannungen und überwacht gleichzeitig alle internen Versorgungen.

Sie beherrscht verschiedene Energiespar- und Wake-up-Szenarien und ist für die Ladesteuerung eines Lithium-Ionen- oder Lithium-Polymer-Akkus verantwortlich. Zu Sicherheitszwecken (beispielsweise »Battery Authentication«) ist eine Schnittstelle für einen extern anschließbaren »ORIGA«-Chip von Infineon integriert. Des weiteren verfügt das IC über einen Displaycontroller, der Matrix-LDCs unterstützt, und eine Class-D-Endstufe für Audiofunktionen. Damit deckt der MD8710 laut Hersteller alle wichtigen Funktionen für tragbare, batteriebetriebene Endgeräte im »Personal-Healthcare-Ecosystem« ab.

Außerdem reduziert das IC die Anzahl der benötigten Bauelemente drastisch. So besteht ein traditionelles tragbares Glukosemessgerät derzeit zum Beispiel aus etwa zwölf integrierten QFP-Bauelementen (Quad Flat Pack) und weiteren 30 bis 50 diskreten Komponenten. Das bedeutet nicht nur eine lange Entwicklungszeit, sondern auch hohen Aufwand, um eine kompakte Bauform zu erreichen.

Beim Aufbau des Geräts mit identischen Funktionen mit dem neuen Chip reduziert sich die Anzahl auf drei bis fünf QFP-Bauelemente und etwa 15 bis 30 diskrete Komponenten, und das bei geringeren Kosten: Laut Angaben von Rutronik ist der Marktpreis der für die konventionelle Lösung benötigten ICs mehr als doppelt so hoch wie der des MD8710.

Eine weitere Ersparnis bietet das Plattformkonzept des ICs: Dank flexibler Konfiguration des Chips lassen sich mehrere Geräte auf einer Plattform realisieren, denn durch den einfachen Austausch der Sensoren und mit geringen Softwareanpassungen sollten Geräte für verschiedenste Applikationen möglich sein. So lässt sich teure Entwicklungszeit einsparen und die »Time-to-Market« für neue Geräte deutlich verkürzen.

Als Beispiel für eine Anwendung des Chips soll das Projekt eines Pulsoxymeters den Unterschied zwischen diskretem und integriertem Aufbau verdeutlichen. Ein Pulsoxymeter ermittelt die Sauerstoffsättigung des Bluts und misst hierfür die Lichtabsorption bei der Durchleuchtung der Haut am Finger.

Dies geschieht mit zwei verschiedenen Lichtwellenlängen: Zum einen im Infrarotbereich bei 940 nm, da hier das Absorptionsmaximum des mit Sauerstoff gesättigten Hämoglobins (HbO2) liegt. Die zweite Wellenlänge liegt bei 660 nm, hier absorbiert das nicht mit Sauerstoff gesättigte Hämoglobin (Hb) am meisten Licht. Über das Verhältnis beider Messwerte lässt sich die Sauerstoffsättigung des Blutes ermitteln.

Anwendungsbeispiel Pulsoxymetrie

Aufgrund der konstanten Absorption des Gewebes kommt es zu einem hohen DC-Signalanteil. Der AC-Signalanteil wird durch das pulsierende Blut verursacht. Die genaue Größe der AC- und DC-Anteile ist stark von der Lichtintensität und der Absorption des Gewebes abhängig.

Bild 2: Diskreter Aufbau eines Pulsoxymeters

Aufgrund der variablen Durchblutung des Gewebes kann es zu einer sehr hohen Schwankung der AC-Komponente kommen, sie kann zwischen 0,01% und 10% des DC-Anteils liegen. Um Rückschlüsse auf die Hämoglobinanteile ziehen zu können, ist eine möglichst gute DC-Kompensation unabdingbar.

Das Signal der Pulsoxymetrie liegt im ersten Schritt als Stromsignal durch die Photodiode (Messung der Lichtabsorption) vor. Zur Weiterverarbeitung wandelt ein Transimpedanzverstärker dieses Strom- in das benötigte Spannungssignal. Darauf folgt die beschriebene DC-Kompensation, die über eine weitere Operationsverstärkerstufe realisiert wird. Im diskreten Aufbau ergibt sich daraus das Prinzipschaubild in Bild 2.

Bild 3: Integrierter Aufbau des Pulsoxymeters auf der Basis des »MD8710«

Überträgt man das Messverfahren auf den MD8710, werden fast alle diskreten Bauelemente überflüssig, der Chip kann alle für die Pulsoxymetrie wichtigen Funktionen durchführen (Bild 3).

Die Dynamik der Absorption liegt im Bereich zwischen 50 und 20 000 Werten (14 Bit bis 15 Bit). Für die detaillierte Analyse ist jedoch nur ein eingeschränkter Bereich nötig. Da die Delta-Sigma-Wandler des MD8710 mit 16 Bit Auflösung spezifiziert sind, ist der Fehler durch die Wandlung minimal und die Pulsoxymetrie problemlos durchführbar. Eine durchgeführte Rauschfehleranalyse bestätigt dieses Ergebnis.

Wie die Pulsoxymetrie lassen sich laut Hersteller viele Anwendungen in den Bereichen »Sports-Activity and Healthcare« sowie »Consumer-Medical« mit der integrierten Lösung MD8710 realisieren, und die Geräte seien nahtlos in ein »Personal-Healthcare-Ecosystem« integrierbar. Die Kostenersparnis auf der Bauelementeseite rechtfertige meist sogar ein Redesign bestehender diskreter Lösungen.


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Rutronik Elektronische Bauelemente GmbH, Infineon Technologies AG