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Bauteile für innovative Medizingeräte

Für Wearables, Labor und Therapie

10. Oktober 2023, 8:30 Uhr | Von Stuart Cording für Mouser Electronics

Kompontenten für die Vitalzeichenmessung, das Labor oder die Thermotherapie können über die Medizintechnik-Exprten vo Mouser ausgewählt und bezogen werden.

Die 24/7-Beobachtung von Vitalparametern, mobile EKG-Messungen, neuartige Labordiagnostik oder die Umgebungsüberwachung in Reinräumen – die Entwicklung neuartiger Medizingeräte braucht kleine, leistungsstarke und oft stromsparende MedTech-Komponenten. Eine herstellerübergreifende Bauteilauswahl.

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Die Lebenserwartung der Menschen auf der ganzen Welt steigt. Medizinexperten und -ingenieure suchen nach technischen Wegen, die Lebensqualität zu erhöhen und gleichzeitig die Kosten für Therapien senken zu können. Durch die Weiterentwicklung in der Batterietechnik sind längere Batterielaufzeiten möglich. In Verbindung mit hochintegrierten Chip-Messgeräten können Patienten ihre Vitaldaten erfassen und übermitteln, ohne das Haus verlassen oder einen Arzt aufsuchen zu müssen. Auch die Covid-19-Pandemie und die daraus resultierenden Einschränkungen beim direkten Kontakt mit Ärzten und Gesundheitsdienstleistern haben dazu geführt, dass der Bedarf an intelligenteren, vernetzten und tragbaren medizinischen Geräten steigt.

Mithilfe von am Körper getragenen Sensoren – in sogenannten Wearables – und weiteren mobilen, therapeutischen Geräten können Patienten das Krankenhaus nach einer Operation früher verlassen. Das schafft freie Betten und senkt die Kosten. Gleichzeitig können die Chirurgen und ihre Teams über die Remote-Medizin weiterhin eine hochwertige postoperative Versorgung gewährleisten. Ein zusätzlicher Vorteil ist die regelmäßige Erfassung von Daten, während der Patient seinem normalen Tagesablauf nachgeht. Dadurch können Informationen gewonnen werden, die andernfalls nicht verfügbar wären. Nach Angaben von BioSpace wird der Einsatz elektronischer Medizintechnik in Krankenhäusern bis 2025 voraussichtlich um 13 % steigen, und der Weltmarkt für enstprechende MedTech-Geräte wird ein Volumen von 169 Milliarden US-Dollar erreichen.

Kontinuierliche Messung der Vitalfunktionen

Die explosionsartige Verbreitung von Wearables für Verbraucher hat sich auf das Leben vieler Menschen ausgewirkt. Obwohl die Genauigkeit der am Handgelenk getragenen Sensoren zur Messung der Herzfrequenz und anderer Parameter von einigen Ärzten (noch) angezweifelt wird, haben die neue Gesundheitsdaten bereits Leben gerettet. Und auch wenn sie vielleicht nicht so genau sind wie die professionellen medizinischen Geräte eines Arztes, hat sich die Tatsache, dass sie eine kontinuierliche Überwachung bieten, als unschätzbar wertvoll erwiesen. Allein weil eine hohe Herzfrequenz festgestellt wurde, die sonst tagelang unbemerkt geblieben wäre, konnten darüber schon lebensbedrohliche Komplikationen vermieden werden.

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Miniaturisierte Messtechnik wie der optische Bio-Sensor MAXM86161 von Analog Devices (Bild 1) ist eines der Bauelemente, die solche Anwendungen möglich machen. Er ist für die Im-Ohr-Messung optimiert und kann die Herzfrequenz (HR), die Sauerstoffsättigung (SpO2) und die Herzfrequenzschwankungen (HRV) erfassen, wobei die Schwankungen von Pulsschlag zu Pulsschlag analysiert werden. Durch die Integration mit Mikrocontrollern (MCU) über eine I2C-Schnittstelle kann das Gerät 25 Messungen pro Sekunde durchführen und hat dabei einen Stromverbrauch von weniger als 10 µA.

Das 14-polige OLGA-Gehäuse (Organic Land Grid Array) ist 2,9 × 4,3 × 1,4 mm3 groß und enthält sowohl den Sensorempfänger als auch die erforderlichen grünen, roten und infraroten LEDs. Das optische Subsystem besteht aus einem 19-Bit-Analog-Digital-Wandler (ADC), der von einem fortschrittlichen Umgebungslichtunterdrückungssystem (Ambient Light Cancellation, ALC) und einem proprietären diskreten Zeitfilter unterstützt wird. Dadurch kann dieses Messsystem auch bei Umgebungslicht mit 50 Hz und 60 Hz präzise arbeiten. Zudem sind Präzisions-LED-Treiber mit 8-Bit-Steuerung ihres Dynamikbereichs sowie Register zur Programmierung von Impulsschemata enthalten. Ein Zwischenspeicher für 128 Messwerte sorgt dafür, dass die Host-MCU so lange wie möglich im Energiesparmodus verbleiben kann, bevor sie eine neue Reihe von Messwerten erfasst. Außerdem ist eine umfassende Prototyping-Plattform verfügbar.

Integration eines Elektrokardiogramms

Die Herzfrequenz kann zwar optisch mit der Photoplethysmographie (PPG) gemessen werden, doch für weitere Informationen über den Gesundheitszustand des Herzens ist ein Elektrokardiogramm (EKG) erforderlich. Den ersten praktischen Elektrokardiographen erfand Willem Einthoven Anfang des 20. Jahrhunderts. Das Gerät war über 250 kg schwer und erforderte fünf Bediener, war also nicht wirklich transportabel. Die Messwerte halfen Einthoven jedoch dabei, die Form der EKG-Wellenform zu verfeinern, die wir heute mit der P-Welle, dem QRS-Komplex und der T-Welle kennen. Medizinisches Fachpersonal verwendet zwar in der Regel einen 12-Kanal-EKG-Monitor, aber es hat sich gezeigt, dass auch preiswerte 3-Kanal-Monitore Messungen mit ausreichender technischer Qualität liefern.

Mit dem Vitalzeichensensor AS7030B von ams Osram (Bild 2) ist eine kostengünstige, kontinuierliche Überwachung von Patienten mit Herzerkrankungen möglich. Der Sensor integriert ein PPG und EKG und unterstützt Hauttemperatur- (NTC) und Widerstandsmessungen (galvanischer Hautwiderstand) über externe Sensoren. Sein Versorgungsspannungsbereich reicht von 2,7 V bis 5,5 V und eignet sich somit für den Betrieb mit einer wiederaufladbaren Batterie für den mobilen Einsatz. Gleichzeitig lässt sich der Sensor dank seiner kleinen Bauform (6,4 × 3,5 × 1 mm3) in winzige Gehäuse integrieren. Der AS7030B wird über I2C mit einer Host-MCU verbunden und verfügt über einen LDO, ein optisches und elektrisches Frontend sowie einen EKG-Verstärker, der die IEC 60601-2-47 erfüllt. PPG-Messungen werden durch integrierte LEDs unterstützt, wobei die integrierte Signalverarbeitung den Host-Prozessor entlastet und die Auswirkungen starker Umgebungslichtquellen reduziert.

EKG-Signale sind sehr schwach und liegen zwischen 0,5 mV und 5,0 mV. Daher sollten die Leitungen so kurz wie möglich gehalten oder abgeschirmte Kabel verwendet werden. Auch bei USB-Anschlüssen oder Ladelösungen, die den Sensor mit dem Stromnetz verbinden, sollte darauf geachtet werden, dass ein medizinisch zugelassener Isolator (> 3 kV) oder ein nach IEC 60601 zertifiziertes Netzteil verwendet wird. Ein Evaluierungskit mit Software ist ebenfalls erhältlich.

Im Labor

Nach einer vorläufigen Diagnose ziehen Ärzte häufig Pharmakologen hinzu, um Proben zu analysieren oder geeignete Medikamente zusammenzustellen. In der Arzneimittelforschung und bei genomischen Tests werden Reagenzien verwendet, die jedoch sorgfältig dosiert werden müssen. Dosiergeräte für Reagenzien können Flüssigkeitsmengen im Submilliliterbereich abgeben, doch dazu benötigen sie genaue Messsensoren. Der Schweizer Hersteller Sensirion bietet zahlreiche Messlösungen an, die auf dem intelligenten Mikrosensorsystem CMOSense aufbauen, das mittlerweile in der vierten Generation erhältlich ist. Der Flüssigkeitsdurchflusssensor SLF3S-0600F (Bild 3) ist ein solches Gerät, das Messungen von bis zu ±2000 ml/min und eine Genauigkeit von 0,5 µl/min für Wasser (H2O) und 5 µl/min für Isopropylalkohol (IPA) bietet.

Das Sensorelement arbeitet mit einem Mikroheizelement in Verbindung mit einem vorgeschalteten und nachgeschalteten Temperatursensor. Wenn die Flüssigkeit durchfließt, entsteht eine Temperaturdifferenz. Diese wird kompensiert, verstärkt und digital verarbeitet. Mit Datenpunkten, die über I2C an eine Host-MCU weitergeleitet werden, sind schnelle Reaktionszeiten im Millisekundenbereich möglich. Für den Anschluss am Sensorgehäuse werden Schläuche mit einem Außendurchmesser von 1/16“ bis 1/8“ sowie eine passende Mutter und Klemmring benötigt.

Messung von Umgebungsbedingungen

Bei der Entwicklung medizinischer Geräte oder bei der Arbeit in einem Labor, Reinraum oder Krankenhaus müssen häufig die Umgebungsbedingungen überwacht werden. Bei Hardwaretests oder zum Nachweis, dass die Betriebs- oder Lagerbedingungen den gesetzlichen Anforderungen entsprechen, können Aufzeichnungsgeräte mit Klimakammern eingesetzt werden.

Das Extech RH520B (Bild 4) misst die Luftfeuchtigkeit und Temperatur und speichert die Messwerte in einem digitalen Datenrekorder. Das Gerät arbeitet papierlos, der interne Speicher kann bis zu 49.000 Datenpunkte speichern, und es steht eine kostenlose Software zur Verfügung, mit der die Messungen zur weiteren Analyse an einen PC übertragen werden können.

Der Sensor kann am Gehäuse des Displays montiert oder mit einem ein Meter langen Kabel abgenommen und in einer geschlossenen Umgebung platziert werden. Das große grafische LCD-Display hat eine einstellbare vertikale/horizontale Auflösung und zeigt Temperatur und relative Luftfeuchtigkeit an. Es werden Messzyklen von sechs Sekunden bis zu 199,9 Minuten unterstützt, wobei optische und akustische Temperatur- und Feuchtigkeitsalarme bei Bedarf konfiguriert werden können. Auch die Anzeige des Taupunkts ist möglich. Die Stromversorgung erfolgt über das im Lieferumfang enthaltene Netzteil oder optional über drei AA-Batterien, mit denen das Gerät bis zu vier Wochen lang betrieben werden kann. Eine Tisch- oder Wandmontage ist ebenso möglich.

Thermotherapie

Durch gezielte Erwärmung und Abkühlung können Thermotherapielösungen eine Gefäßerweiterung und -verengung der Haut bewirken, was bei Schmerzen, Durchblutungsstörungen und Entzündungen in Gelenken und Weichteilverletzungen helfen kann. Bei einigen Anwendungen wird auch eine Flüssigkeit verwendet, damit die Thermotherapie gleichmäßig angewendet werden kann. Messgeräte wie das Feuchtigkeitsmess- und Wärmebildgerät FLIR MR265 von Teledyne (Bild 5) können Informationen über die Effektivität und Gleichmäßigkeit von Kühl- oder Heizpads während der Entwicklung liefern und auch dabei helfen, die Position von Leckagen zu bestimmen.

ei der die 19.200 Pixel der Wärmebildaufnahme durch Daten der integrierten 2-Megapixel-Standardkamera ergänzt werden. Der Benutzer erhält auf dem 2,8-Zoll-Farbdisplay klarere Bilder, was die Analyse von Problemen in der Praxis erleichtert. Eine integrierte LED sorgt für bessere Sichtbarkeit in schlecht beleuchteten Umgebungen. Gleichzeitig stellt der integrierte Laser in Verbindung mit der infrarotgesteuerten Messung (IGM) sicher, dass der Benutzer genau weiß, welche Stelle gemessen wird. Ein Sensor zur zerstörungsfreien Messung der Feuchtigkeit ist auf der Rückseite des Geräts integriert, und weitere kabelgebundene Sensoren können über einen speziellen Anschluss an der Unterseite des Geräts angeschlossen werden.

Neue medizinische Analysen und Behandlungen

Medizinische Geräte sind traditionell oftmals unhandlich, kompliziert und teuer – dank der Innovationen in der Chiptechnologie können mittlerweile viele einfachere, batteriebetriebene und leichte tragbare Überwachungs- und Therapielösungen entwickelt werden. Diese Geräte sind zwar meist nicht so präzise wie professionelle Geräte, ermöglichen aber eine kontinuierliche Überwachung und Therapie, die mehr Erkenntnisse und Vorteile liefern kann als ein täglicher oder wöchentlicher Besuch beim Arzt. Pharmazeuten werden dank hochpräziser Durchflusssensoren der nächsten Generation bei der Entwicklung neuer Medikamente und Testmethoden unterstützt. Und wenn Medizintechniker ihre hochmodernen Entwicklungen testen, liefern Datenschreiber und Wärmebildkameras die zur Verbesserung und Optimierung ihrer Produkte erforderliche Rückmeldung und Überwachung. Der Bereich der Medizinelektronik hat dank der technologischen Entwicklung zweifelsohne das Potenzial, im kommenden Jahrzehnt einige großartige Innovationen hervorzubringen, die unsere Lebensqualität erheblich verbessern werden. (uh)