Digitale Gesundheit - aber sicher
Wie NFC batterielose Medizinprodukte ermöglicht
Funk- und Batterietechnik in Einem: Batterielose Sensor-Patches ernten Energie direkt vom Smartphone: NFC-basierte Medizingeräte mit integrierten ASICs ermöglichen sichere, günstige Diagnostik – eine paprierdünne Alternative zu Bluetooth Low Energy für Point-of-Care-Tests und Home Care-Systeme.
Von Smartwatches mit Herzfrequenz-Monitoring bis zu Apps für den Medikamentenplan: Die digitale Gesundheit ist fest in unserem Alltag bereits fest verankert. Jetzt entsteht eine neue Klasse von »ultra low energy« Medizin-Wearables: Die papierdünnen Patches liefern Sensorik, Datenübertragung und sichere Identifikation und werden allein durch kurzen Smartphone-Kontakt aktiviert.
Diese batterielosen oder hybrid betriebenen Medizingeräte basieren auf Near Field Communication (NFC), einem Funkstandard für kurze Distanzen, ursprünglich für kontaktlose Zahlungen entwickelt. Entscheidender Vorteil: NFC unterstützt Energy Harvesting – das Gerät gewinnt genug Energie aus dem elektromagnetischen Feld eines Smartphones, um komplett ohne Batterie zu arbeiten. Mit kundenspezifischen ASICs kombiniert, erweist sich NFC als ideal für medizinische Anwendungen und bietet eine echte Alternative zu Bluetooth für ereignisbasierte Diagnostik und kostengünstige Sensortechnik.
NFC im Gesundheitswesen: Passive Architektur mit aktivem Potenzial
NFC arbeitet bei 13,56 MHz im weltweit verfügbaren ISM-Band und nutzt magnetische Induktionskopplung für Daten- und Energieübertragung. Befindet sich das Gerät in Reichweite eines NFC-kompatiblen Readers – typischerweise ein Smartphone –, erwacht es aus dem passiven Zustand, führt eine Sensormessung wie Körpertemperatur oder Glukosespiegel durch, überträgt verschlüsselte Ergebnisse und wechselt direkt in den Standby-Modus.
Da das elektromagnetische Feld in kurzer Distanz Leistungen bis etwa 50 mW bereitstellt, arbeiten diese Geräte komplett batterielos oder mit minimalem Energiespeicher. Das ermöglicht extrem kompakte und kostengünstige Diagnosetools und Sensorpatches – optimal für Einmalanwendung oder kurzfristige Überwachung und ein klarer Vorteil für Point-of-Care- und Heimtests.
NFC vs. BLE: Das passende Protokoll wählen
Bluetooth Low Energy (BLE) bleibt verbreitet bei Wearables, besonders wenn eine kontinuierliche, weitreichende Telemetrie benötigt wird. Doch BLE bringt verschiedene Design- und Kostenfaktoren mit: komplexere Funkarchitektur, aktives Pairing und Batteriestrom erhöhen sowohl Siliziumanteil als auch Stücklistenkosten. Zudem werden oft fortschrittliche CMOS-Technologien (40 nm oder besser) sowie lizenzierte IP-Blöcke benötigt, was Entwicklungszeit und Kosten steigert.
Im Gegensatz dazu bietet NFC ein schlankes, passivfähiges Protokoll – ohne Pairing, ohne Batterie und mit kürzerer Kommunikationsdistanz (~10 cm). NFC eignet sich nicht für kontinuierliche Hintergrundkommunikation, doch wenn Nutzer gezielt einen Lesevorgang auslösen – etwa das Scannen eines Patches oder Teststreifens –, ist NFC ideal. In solchen Anwendungen ermöglicht es geringere Systemkomplexität und signifikante Kosteneinsparungen, besonders bei kundenspezifischen ASIC-Lösungen.
Ein technischer Vergleich verdeutlicht die Unterschiede:
| Merkmal | NFC | BLE |
|---|---|---|
| Frequenz | 13,56 MHz (ISM-Band) | 2,4 GHz (ISM-Band) |
| Reichweite | ~10 cm | ~10–30 m |
| Datenrate | 106–424 kbps | 125 kbps bis 2 Mbps |
| Energiequelle | Energy Harvesting | benötigt Batterien |
| Stack-Komplexität | Einfach, passivfähig | Komplex, benötigt Pairing |
| Standards | ISO/IEC 14443, NFC Forum | Bluetooth 5.x, BT SIG |
Während BLE Echtzeit-Streaming und Hintergrund-Updates erlaubt, führt dies zu zusätzlicher Hardware- und Softwarekomplexität, die bei Einweg- oder Gelegenheitsanwendungen selten gerechtfertigt ist. Die Einfachheit von NFC, Energy-Harvesting-Fähigkeit und geringer Siliziumbedarf machen das Protokoll attraktiv für Designs mit Fokus auf niedrigem Stromverbrauch, kleiner Bauform und Wirtschaftlichkeit.
Hybride Architekturen für kontinuierliche Sensorik
Benötigt eine Anwendung permanente Überwachung – etwa von Bioimpedanz, Hydratation oder Glukosewerten –, reicht rein passiver Betrieb oft nicht aus. Hier setzen hybride Architekturen an: Mit einem kleinen Akku oder Superkondensator können Geräte kontinuierlich ultra-niedrigenergetisch Daten erfassen und lokal speichern. Sobald der Anwender das Smartphone nutzt, wird zusätzliche Energie geerntet, um Daten hochzuladen, zu konfigurieren oder das System neu zu starten.
Dieses Konzept verbindet die Vorteile von passivem NFC mit der Leistungsfähigkeit komplexerer Systeme und eignet sich besonders für ambulante Versorgung, Fitness- und Reha-Anwendungen oder Überwachung von Alleinarbeitern, wo lange Laufzeit bei kleiner Gerätegröße und minimalem Wartungsbedarf gefragt ist.
Identifikation und Authentifizierung über das Smartphone
Medizinische Diagnosegeräte, insbesondere außerhalb klinischer Umgebungen, müssen Authentizität und Rückverfolgbarkeit gewährleisten. NFC-fähige Teststreifen – etwa für Infektionskrankheiten oder Fertilität – können einen sicheren ID-Chip integrieren und so Echtheit und Unversehrtheit sicherstellen.
Zusammen mit einer Smartphone-App lässt sich Geräteauthentifizierung durch Nutzerverifizierung ergänzen – per Kamera oder biometrischen Daten. So kann die Messung mit Zeitstempel sowie Video- oder Gesichtserkennung dokumentiert werden, was Integrität und Nachverfolgbarkeit der Daten stärkt. Das ist in dezentralen klinischen Studien, geregelten Heimtests oder betrieblichem Gesundheitsschutz von Bedeutung, wo Compliance und Vertrauen entscheidend sind.
ASICs für energiesparende und sichere Geräte
Herzstück dieser NFC-basierten Healthcare-Geräte sind anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise (ASICs). Sie kombinieren analoge Sensor-Schnittstellen, digitale Steuerung, Energieverwaltung und kryptografische Hardware in einem Chip und sorgen so für die Effizienz und Flexibilität, um Energy Harvesting im medizinischen Umfeld zu ermöglichen.
Diese ASICs unterstützen verschiedenste Sensortypen – optisch, kapazitiv, elektrochemisch, impedanzbasiert – bei geringstem Stromverbrauch von nur wenigen Mikrowatt. Sicherheitsfunktionen wie AES-Verschlüsselung, echte Zufallszahlengeneratoren und elliptische Kurvensignaturen sind direkt integriert und gewährleisten Datenschutz ohne Abstriche bei der Energieeffizienz. Das Resultat sind extrem kompakte Plattformen für Einwegdiagnostik, tragbare Sensorpflaster oder eingebettete Medizingeräte, deren Design sich einfach auf verschiedene Produktlinien skalieren lässt.
Ein eingebautes Verteilungsnetzwerk
Das überzeugendste Argument für NFC im Gesundheitsbereich: Die erforderliche Infrastruktur existiert bereits. Über 90 Prozent aller Smartphones weltweit unterstützen bereits NFC – die Einführung neuer Geräte bedarf also keiner proprietären Reader oder Basisstationen. Das Telefon dient als Schnittstelle und Energiequelle zugleich.
So kann die Verteilung und Nutzung solcher Geräte praktisch überall erfolgen: von entfernten Kliniken und Außendienst-Einsätzen über die häusliche Pflege bis zum Notfalleinsatz – ohne zusätzliche Hardware-Investitionen.
NFC: Sichere Verarbeitung im Gerät
Mit der weiteren Entwicklung vernetzter Medizingeräte gilt es, Funktionalität, Kosten und Komplexität auszubalancieren. BLE bleibt für Langstrecken- und Dauerbetrieb relevant, doch für viele Diagnose-, Identifikations- und Kurzstreckenanwendungen bietet NFC eine wirtschaftliche und technisch überzeugende Alternative.
Kombiniert mit ASIC-Plattformen für ultra-niedrigen Energieverbrauch und sichere Kommunikation schaffen NFC-Geräte Lösungen, die kompakt, kosteneffizient und für breiten Einsatz bereit sind – als Patch, Teststreifen oder Wearable-Sensor. Viel Funktionalität verlagert sich damit von der Cloud direkt auf das Gerät und ermöglicht Diagnostik, Authentifizierung und Benutzerinteraktion in der Hand des Anwenders. (uh)
(uh)
Über den Autor: Ian Lankshear ist CEO und Mitgründer von EnSilica (2001). Unter seiner Leitung hat sich das Unternehmen durch Innovation und geschickte Marktorientierung kontinuierlich weiterentwickelt. Er verfügt über fundierte technische und kaufmännische Erfahrung in der Halbleiterindustrie sowie in angrenzenden Märkten. Seine berufliche Laufbahn begann er in der Entwicklung von Radarsystemen bei Siemens Plessey Systems. 1996 wechselte er in die Halbleiterentwicklung, zunächst bei Hitachi und später bei Nokia. Ian hat einen Bachelor-Abschluss mit Bestnote in Elektrotechnik und Elektronik.
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