Komponenten für die Medizintechnik
Patient gesucht? Mobilfunk-SiP für Ortung ohne Smartphone
Ortungs-Wearable für Demenzpatienten: Ein System-in-Package mit integriertem LTE-M/NB-IoT-Modem, GNSS-Empfänger und Cortex-M33-Prozessor bildet mit einem effizienten Power-Management-IC die Basis. Inklusive Sturzerkennung, Geofencing und 10 Tagen Akkulaufzeit, alles ohne Anbindung an ein Smartphone.
Anfang Juli, Ostbahnhof München, an fast jede Wand oder Säule ist mit Tesa-Film ein kleines Plakat geklebt: Vermisst! Gesucht wird ein76-jähriger Mann, er ist an einem Dienstag nicht in sein Pflegeheim zurückgekehrt. Neben dem Passfoto folgt die Personenbeschreibung: der Senior trägt eine rote Strickjacke, Jeans und hat einen kleinen Rucksack bei sich. Ob Fahndung auf WhatsApp, Facebook oder am Bahnhof - immer wieder verschwinden Demenzkranke. Viele tauchen wieder auf, für manche kommt jede Hilfe zu spät.
In Deutschland leben nach Angaben der Deutschen Alzheimer Gesellschaft mindestens 1,8 Millionen Menschen mit Demenz, der überwiegende Teil davon aufgrund von Alzheimer. Hinzu kommen rund 400.000 Parkinson-Patienten. Beide Krankheiten zählen zu den häufigsten neurodegenerativen Diagnosen und nehmen mit der steigenden Lebenserwartung weiter zu.
GPS-Ortung zur Fahndung
»Bei Demenz leidet die räumliche Orientierung,« sagt der er Leiter der saarländischen Landesfachstelle Demenz, Andreas Sauder. Mit fortschreitender Erkrankung nehmen sowohl kognitive wie auch motorische Fähigkeiten der Betroffenen ab – viele vermisste Patienten waren nach Stürzen nicht mehr in der Lage aufzustehen. Deswegen kommen zunehmend GPS-Tracker für ältere Menschen zum Einsatz. Diese Wearables lassen sich etwa als Anhänger oder in Form einer Armbanduhr tragen und ermöglichen eine kontinuierliche Standortbestimmung. Besonders hilfreich für Demenzerkrankte mit ausgeprägtem Bewegungs- und Weglaufdrang.
Manche Systeme gehen sogar noch weiter: Verlässt die betroffene Person einen zuvor festgelegten Bereich, etwa das eigene Wohngrundstück, erhalten Angehörige automatisch eine Warnmeldung. Auch in Pflegeeinrichtungen kommen solche Lösungen laut Sauder bereits vereinzelt zum Einsatz.
Systemarchitektur: SiP statt Smartphone
Die kognitiven Einschränkungen stellen an die technische Assistenzsysteme spezifische Anforderungen: Ortungs- und Alarmierungslösungen müssen auch ohne die aktiver Bedienung durch die betroffene Person funktionieren. Klassische Smartphone-Apps oder knopfreiche Geräte mit viel Bedienung können in fortgeschrittenen Krankheitsstadien in der Regel nicht mehr zuverlässig genutzt werden.
Diesen Anforderungen begegnet der kleine Wearable-Tracker von Saluswear im Format 25 Millimeter mal 38 Millimeter. Das Assistenztool wird wahlweise am Hosenbund, per Umhängeband oder Schnürsenkelhalterung getragen. Die Kernkomponente ist das System-in-Package nRF9151 von Nordic Semiconductor, das ein LTE-M/NB-IoT-Modem, einen GNSS-Empfänger und einen Cortex-M33-Anwendungsprozessor in einem Gehäuse vereint und damit ein separates Smartphone als Kommunikationsschnittstelle verzichtbar macht. Der Tracker ist für Endverbraucher ausgelegt, die Ortungs- und Sturzerkennungsfunktion ersetzt keine medizinische Überwachung.
Auf HF-Seite liefert das Modem im LTE-M-Betrieb eine Sendeleistung von 23 dBm bei einer Empfangsempfindlichkeit von −108 dBm, was auch bei schwacher Netzabdeckung eine belastbare Datenübertragung nahezu in Echtzeit an die Cloud ermöglicht. Sicherheitsrelevante Ereignisse – etwa ein erkannter Sturz – lösen zusätzlich SMS-Benachrichtigungen an hinterlegte Kontakte aus.
Ortung per GNSS, Zellortung und WLAN
Die Standortbestimmung stützt sich nicht allein auf GNSS, sondern kombiniert mehrere Verfahren über die nRF Cloud Location Services: Für energieeffiziente Ortung in Innenräumen kommt Single-Cell-Lokalisierung (SCELL) zum Einsatz, für höhere Genauigkeit im Freien eine Multi-Cell-Triangulation (MCELL) unter gleichzeitiger Nutzung mehrerer Sendemasten. Parallel scannt das Gerät passiv WLAN-SSIDs in der Umgebung:
Sobald Daten von mindestens zwei Access Points vorliegen, berechnet die nRF Cloud anhand einer WLAN-Koordinatendatenbank die Position, ohne dass sich das Gerät mit einem Netzwerk verbinden muss. Dieser Hybridansatz aus GNSS, Zellortung und WLAN-Fingerprinting ermöglicht eine Positionsbestimmung auch dort, wo GNSS-Signale durch Gebäude abgeschattet werden. Auf dieser Ortungsgenauigkeit baut auch die Geofencing-Funktion des Systems auf: Über eine Webplattform lassen sich virtuelle Sicherheitszonen definieren; verlässt der Träger diesen Bereich, löst das System nach einer konfigurierbaren Verzögerung eine SMS-Benachrichtigung aus.
Laufzeit als Entwicklungsschwerpunkt
Ein zentrales Entwicklungsziel war die Akkulaufzeit: Mit einem 300-mAh-Lithium-Akku erreicht das Gerät nach Herstellerangabe mindestens zehn Tage zwischen zwei Ladevorgängen. Dazu trägt der PMIC nPM1300 von Nordic bei, der Systemmanagement-Funktionen integriert und den Energieverbrauch der Peripherie – etwa des Beschleunigungssensors für Sturz- und Schritterkennung – steuert. Auf Modemseite unterstützt der nRF9151 die Sparmodi PSM und eDRX: Im PSM-Modus liegt der Grundstromverbrauch für LTE-M und NB-IoT laut Datenblatt bei rund 2,7 µA, im eDRX-Betrieb mit einem Intervall von 655 Sekunden bei etwa 6 µA (LTE-M) beziehungsweise 9 µA (NB-IoT).
»Der nRF9151 bietet genug Leistung für die Peripherie-Steuerung und in Kombination mit dem PMIC nPM1300 einen niedrigen Stromverbrauch – für OTA-Updates sowie Mobilfunk- und WLAN-Ortung nutzen wir zusätzlich die nRF Cloud,«
sagt Saluswear-Geschäftsführer Chris Rotberg zur Bauteil-Auswahl.
Der beschriebene Systemaufbau zeigt exemplarisch, wie sich mit einem integrierten Cellular-IoT-SiP und einem effizienten PMIC ein autonomes, smartphoneunabhängiges Trackingsystem mit Zehn-Tage-Akkulaufzeit realisieren lässt – ein Ansatz, der angesichts der wachsenden Zahl Betroffener neurodegenerativer Erkrankungen auf weitere Assistenzanwendungen übertragbar erscheint, etwa in der ambulanten Sturzprävention oder im Bereich Ambient Assisted Living. (uh)
