uba009fig0.jpg

U-Blox

Nach Angaben von Juniper Research werden bis zum Jahr 2018 rund 60 Millionen Fitness-Tracker in Gebrauch sein – dreimal so viel wie 2014 verkauft wurden. Und wenn die Analysten von CCS Insight Recht behalten, wird der Markt für Wearables bis zum Jahr 2018 auf insgesamt 172 Millionen Geräte anwachsen. Damit werden Fitness-Tracker über ein Drittel aller am Körper getragenen Geräte ausmachen. Bekannte Beispiele wie Fitbit und Miband von Xiaomi sind intelligente Geräte, welche die Herzfrequenz und körperliche Aktivität messen und mitunter eine zuverlässige Schätzung vornehmen, wie viele Kalorien für ein bestimmtes Maß an Aktivität verbraucht werden. Diese Armbänder haben großes Medieninteresse geweckt. Inzwischen kommen jedoch viel komplexere Geräte auf den Markt, die Daten von verschiedenen biometrischen Sensoren erfassen und übermitteln. Ihre Anwendung beschränkt sich nicht mehr darauf, Aktivität und Fitness des jeweiligen Trägers zu überwachen und diese Information über eine Kombination von Apps und Cloud-basierten Services an Freunde zu senden. Diese relativ neue Gerätegeneration erfüllt einen wertvollen Zweck in der Gesundheitsbranche, um die Lebensqualität von Patienten zu verbessern und manchmal sogar deren Lebenserwartung zu verlängern.

M-Health spart Milliarden US-Dollar weltweit

Hier geht es jedoch nicht allein darum, die Gesundheitsversorgung zu verbessern. Der Business Case für eine Investition in die mobile Gesundheitsversorgung (M-Health) ist sehr überzeugend (Bild 1). Juniper Research kommt weiterhin zum Schluss, dass zwischen 2013 und 2018 dank der Fernüberwachung von Patienten 38 Milliarden US-Dollar weltweit eingespart werden und erforderliche Krankenhausbett-Tage um 25 % sowie Krankenhauseinweisungen um 20 % verringert werden.

Bild 1: Der Business Case für M-Health ist sehr überzeugend.

Bild 1: Der Business Case für M-Health ist sehr überzeugend.U-Blox

Ein Bericht des Beratungsunternehmens PWC aus dem Jahr 2013, beauftragt von der GSMA, die die Interessen von Mobilfunkbetreibern weltweit vertritt, spricht sogar von noch höheren Einsparungen. Er geht davon aus, dass mit M-Health die Gesundheitskosten in Europa für chronische Krankheiten um 30 bis 35 % gesenkt werden können, denn 185 Millionen Patienten könnten damit effizienter behandelt werden. Insgesamt könnten in der Region durch M-Health 100 Millionen Euro eingespart und das Bruttoinlandsprodukt um 93 Milliarden Euro gesteigert werden, behauptet die Organisation.

Eckdaten

Medizinische Wearables erfassen physiologische Daten am Menschen und eignen sich zur mobilen Gesundheitsvorsorge. Die Fernüberwachung kann die Lebensqualität verbessern oder Leben retten, sie entlastet Krankenhäuser und kann weltweit Milliarden US-Dolar einsparen. Mit Mobilfunkmodems und Navigationsempfängern von U-Blox lassen sich M-Health-Geräte zukunftsicher für 3G- und 4G-Mobilfunk entwickeln.

Und es sind nicht nur die entwickelten Volkswirtschaften die davon profitieren. In einem weiteren ihrer offiziellen Berichte spricht die GSMA davon, dass M-Health dazu beitragen könne, in afrikanischen Ländern südlich der Sahara 200.000 Leben pro Jahr zu retten. Dort wird die Technologie im Kampf gegen Malaria, Tuberkulose, schwangerschafts- und geburtsbedingte Erkrankungen sowie AIDS/HIV eingesetzt, die jährlich insgesamt 3 Millionen Todesopfer fordern. Ein Bericht von PWC aus dem Jahre 2014 zeigt sogar auf, dass das Technologiebewusstsein für M-Health in den Schwellenländern (61 %) viel höher ist als in den entwickelten Ländern (37 %).

Was kann gemessen werden?

Das Vorhandensein eines Herzschlags ist wohl das grundlegendste Vitalzeichen eines Menschen. Heute ist man jedoch in der Lage, mit hoch entwickelten Sensoren noch viele andere physiologische Daten wie Herzfrequenz, Herzschlagmuster, Atemfrequenz, Blutdruck, Sauerstoffgehalt des Blutes und andere zu erfassen. Am Körper getragene Geräte können auch mit Sensoren verbunden werden, die im Körper implantiert sind.

In der Gesundheitsbranche geht die Entwicklung hin zu drahtlosen Netzwerken von Körpersensoren oder Wireless Body Area Networks (WBAN, körpernahe Informationsnetzwerke). Auch für medizinisches Personal kann es nützlich sein, Informationen über den Aufenthaltsort von Patienten, ihre Mobilität und darüber zu erhalten, ob sie in Unfälle verwickelt sind. Standortdaten können von Drahtlossystemen innerhalb einer Krankenhausumgebung stammen, von Wi-Fi- oder Mobilfunknetzen, von Satelliten-Überwachungssystemen oder einer Kombination aus diesen Technologien. Mithilfe von 3D-Beschleunigungssensoren lässt sich erkennen, wenn es bei einem Patienten zu plötzlichen unerwarteten Bewegungen kommt, die auf einen Unfall zurückzuführen sein könnten.

Wearables für den M-Health-Bereich, die in vielen verschiedenen Formen, Größen und Arten entwickelt werden, können freistehende Geräte sein, die Patienten lediglich daran erinnern, eine bestimmte Handlung auszuführen – zum Beispiel ein Medikament einzunehmen oder ein Rezept erneuern zu lassen. Ein Großteil der Geräte muss jedoch mit einer Anwendung verbunden werden, die Sensordaten analysiert und weiterleitet. Diese Anwendungen können sich auf dem Smartphone eines Patienten befinden, aber der größte Nutzen von M-Health liegt in der Übermittlung von Daten über das Internet an Cloud-basierte Services, die medizinischem Fachpersonal zugänglich sind.

Die Aggregation von Daten von Tausenden oder sogar Millionen von Patienten verschafft Medizinern neue Einblicke in Krankheiten. So hat zum Beispiel die US-amerikanische Firma Irhythm eine Lösung zur Erkennung, Charakterisierung und Diagnose von Arrhythmien, also unregelmäßigem Herzschlag, entwickelt. Mithilfe von Sensoren, die am Brustkorb von Patienten befestigt wurden, wurden Daten über ein Smartphone oder die Unternehmenswebseite übermittelt. Auf diese Weise hat das Unternehmen über 51 Millionen Stunden Herzschläge von EKG-Aufzeichnungen gesammelt und verwendet die Ergebnisse, um Arrhythmien besser zu verstehen und seine Analysealgorithmen zu präzisieren.

Ortsbezogene Technologien für M-Health

Die Standortermittlung erweitert die physiologischen Sensordaten um eine weitere Dimension. Wenn einer medizinischen Fachkraft angezeigt wird, dass ein Patient in Not oder Gefahr ist, und sie genau weiß, wo sich dieser Patient gerade aufhält, idealerweise ohne auf Sprachkommunikation zurückgreifen zu müssen, kann das über Leben oder Tod entscheiden.

Bild 2: Das mobile persönliche Notwarnsystem Libris+ bietet integrierte Sturzerkennung und kann auch als Kommunikationszentrale für andere physikalische und physiologische Sensoren fungieren.

Bild 2: Das mobile persönliche Notwarnsystem Libris+ bietet integrierte Sturzerkennung und kann auch als Kommunikationszentrale für andere physikalische und physiologische Sensoren fungieren.U-Blox

Ein Unternehmen, das für M-Health eine ganze Reihe von Technologien einsetzt, ist zum Beispiel Numera. Sein mobiles Notwarnsystem Libris+ (Bild 2) bietet Sturzerkennung für gefährdete Personen, insbesondere ältere Menschen. In den USA fallen jedes Jahr 14,8 Millionen der über 65-Jährigen hin, wobei 20 bis 30 % dieser Stürze mittelschwere bis schwere Verletzungen zur Folge haben. Libris+, das normalerweise an einem Band um den Hals getragen wird, integriert Sturzerkennungssensoren mit einem globalen Satellitennavigationssystem und Mobilfunk (Sprache und Daten), um Probleme einem Service Center zu melden, das wiederum Verwandte oder Freunde des Gerätenutzers informiert, um schnell und zielgerichtet entsprechende Hilfe herbeizuholen. Die Kommunikation kann auch manuell per Knopfdruck aktiviert werden. Elektronische Waagen, Geräte zur Überwachung des Blutdrucks und des Sauerstoffgehalts im Blut können ebenfalls an Libris+ angeschlossen werden. Damit wird das Gerät zum Kommunikationszentrum des Anwenders vor Ort, da es mit verschiedenen physikalischen und physiologischen Sensoren verbunden ist.

M-Health-Geräte mit Standorterkennung

Positionsdaten in Gebäuden können von bestimmten drahtlosen Sensornetzen innerhalb eines Gebäudes oder von Wi-Fi-Hotspots abgerufen werden. Im Freien bietet die Satellitennavigation die beständigste weltweite Flächendeckung und ihre Genauigkeit kann durch ergänzende Standortdaten von einem Mobilfunknetz oder einem Wi-Fi-Router noch verbessert werden.

Viele verwenden GPS zwar als generischen Ausdruck für Satellitenortungs- oder Navigationssysteme, dabei ist es der Name des US-amerikanischen satellitengestützten Ortungssystems. Die eigentliche generische Bezeichnung lautet Global Navigation Satellite Systems (GNSS). Russland hat das GLONASS-System entwickelt, China das BeiDou und in Europa wird gerade das System Galileo eingeführt. Diese Systeme werden häufig durch ein satellitengestütztes Erweiterungssystems (SBAS) ergänzt, das zusätzlich Daten von Referenzstationen am Boden liefert.

Bild 3: Eva-7M ist ein vollständig ausgestattetes GNSS-Modul, das lediglich einen externen Quarz, eine externe Antenne und einen Stromanschluss benötigt, um ein M-Health-Gerät mit Ortungsfunktionalität zu versehen.

Bild 3: Eva-7M ist ein vollständig ausgestattetes GNSS-Modul, das lediglich einen externen Quarz, eine externe Antenne und einen Stromanschluss benötigt, um ein M-Health-Gerät mit Ortungsfunktionalität zu versehen.U-Blox

Produkte für M-Health mit Standorterkennungsfähigkeit über GNSS auszustatten, ist nicht so leicht. Anwender wünschen sich kleine, unauffällige, leichte Geräte und sie wollen die Akkus nicht allzu häufig aufladen müssen. Daher dürfen die Geräte nur sehr wenig Strom verbrauchen. Hinzu kommt, dass dies im Grunde ein Konsumgütermarkt ist, in dem Gewinnmargen niedrig sind und der Kostendruck für die Komponentenanbieter sehr hoch ist. Eine ebenso große Rolle spielt die Tatsache, dass sich die Hersteller von M-Health-Geräten einen Innovationswettlauf liefern – als Erster neue Produkte auf den Markt zu bringen, kann über Erfolg oder Misserfolg entscheiden. Deswegen ist eine leichte Integration der Standorterkennungsfunktionalität ein wichtiger Faktor.

Einige Unternehmen wollen ausgehend von integrierten Schaltungen ihre eigene GNSS-Funktionalität entwickeln. Viele werden jedoch die Vorteile einer problemlosen Integration, kürzeren Entwicklungszeit und geringeren Fertigungskomplexität nutzen, die vorgefertigte GNSS-Module bieten.

Zwei Beispiele für solche Module sind Eva-7M (7 × 7 × 1,1 mm3) und Max-7 (9,7 × 10,1 × 2,5 mm3) von U-Blox. Beide können GPS- oder GLONASS-Satellitensignale verfolgen und unterstützen SBAS mit GPS. Die Module benötigen keinen Host-Mikrocontroller und nur sehr wenige externe Komponenten, sodass sie sich schnell und leicht in Wearables integrieren lassen. Mit einer Kombination von hoher Tracking-Empfindlichkeit und kontinuierlichem Stromverbrauch von nur 16,4 mA bei 3 V (4 mA bis 4,5 mA bei 3 V im Energiesparmodus) liefern die Module GPS-Ortungsdaten mit einer Genauigkeit von 2,5 m (5 m mit GLONASS) oder SBAS-unterstützt bis auf 2,0 m.

Für eine breitere GNSS-Abdeckung kommen die Module Eva-M8M und Max-M8 von U-Blox zum Einsatz. Sie sind genauso groß wie Eva-7M und Max-7, verfügen jedoch zusätzlich über BeiDou-Empfangsfunktionalität und können gleichzeitig mit bis zu zwei Satellitensystemen arbeiten. Eva-M8M zeichnet sich durch Tracking-Empfindlichkeit von -164 dBm aus und Max-M8M erreicht -167 dBm, das bedeutet, die Empfänger können Signalleistung von etwa 2·10-20 W detektieren. Beide Module sind Galileo-fähig und können aktualisiert werden, sobald das Galileo-System einsatzbereit ist.

Bild 4: A-GNSS ermöglicht eine schnellere Ortung durch die Kombination von Satellitendaten und Daten von Mobilfunknetzen

Bild 4: A-GNSS ermöglicht eine schnellere Ortung durch die Kombination von Satellitendaten und Daten von MobilfunknetzenU-Blox

Wie bereits erwähnt, kann die Navigationsgenauigkeit verbessert werden, insbesondere dort, wo die Signale von Satelliten schwach oder durch Hindernisse blockiert sind. Zu diesem Zweck werden Daten aus dem Internet oder Mobilfunknetzen herangezogen, die die Satellitendaten ergänzen. Assistnow (Bild 4) von U-Blox ist ein kostenloser GNSS-Dienst (A-GNSS), der mit diesem Ansatz einen Standort innerhalb von Sekunden berechnen kann. Anhand von GNSS-Signalen allein, die blockiert oder gedämpft sein können, dauert dies mitunter Minuten oder sogar Stunden.

Verbindung zum Internet

Im oben angesprochenen Fitness-Markt wird eine Internetverbindung für gewöhnlich über ein Smartphone oder Tablet-Computer mit Mobilfunk- oder Wi-Fi-Anschluss hergestellt. Daten von Sensoren oder Sensormodulen mit integrierten Prozessoren verwenden immer häufiger Bluetooth Low Energy (auch als Bluetooth Smart bezeichnet) als Bindeglied zum Handy oder Tablet-Computer, da die Bluetooth-Konnektivität in diesen Geräten bereits allgegenwärtig ist. Wichtiger ist jedoch die Konnektivität der am Körper getragenen M-Health-Geräte, insbesondere wenn sie zur Überwachung gefährdeter Personen aufgrund von Alter, Gebrechlichkeit oder anderer gesundheitlicher Probleme eingesetzt werden. In diesen Fällen ist eine eigene Verbindung ins Internet vorzuziehen. Wenn dann jemand vergisst, beim Einkaufen sein Smartphone mitzunehmen, oder es verliert, ist die Kommunikation mit dem jeweiligen Gesundheitsbetreuer nicht unterbrochen.

Bild 5: Smartsole vereint GPS- und Mobilfunktechnologie um sicherzustellen, dass Patienten, die unbeabsichtigt eine sichere Umgebung verlassen, mithilfe eines Smartphones, Tablet-Computers oder Rechners mit Internetanschluss gefunden werden können.

Bild 5: Smartsole vereint GPS- und Mobilfunktechnologie um sicherzustellen, dass Patienten, die unbeabsichtigt eine sichere Umgebung verlassen, mithilfe eines Smartphones, Tablet-Computers oder Rechners mit Internetanschluss gefunden werden können.U-Blox

Das Produkt Smartsole der US-amerikanischen Firma GTX Corp. integriert GPS-Ortung und Mobilfunk in einer Schuheinlage. Mit dieser diskreten Lösung können Gesundheitsdienstleister oder Verwandte und Freunde den Aufenthaltsort schutzbedürftiger Personen bestimmen, die in Gefahrensituationen geraten können. In einigen Fällen sind Patienten dadurch in der Lage, in ihren eigenen Wohnungen oder Häusern wohnen zu bleiben, anstatt in einem Heim betreut werden zu müssen. Personen, die an Demenz oder anderen Hirnfunktionsstörungen leiden, könnten Schwierigkeiten haben, ein Smartphone zu bedienen oder daran zu denken, es immer bei sich zu haben. Insofern ist eine integrierte Lösung die einzig zuverlässige. Smartsole (Bild 5) verfügt zudem über eine bessere Akkulebensdauer als viele Smartphones, da eine Akkuladung für eine Betriebsdauer von zwei bis drei Tagen reicht.

Zukunftssicherheit in M-Health-Geräte einbauen

Wie im Fall von GNSS sind auch bei der Erweiterung mit Mobilfunkfähigkeit kleine Abmessungen, leichte Integration, zuverlässige Performance und geringe Kosten geboten. Auch hier sind Module häufig die kostengünstigste Lösung. Für Anwendungen mit niedrigen Datenraten wie bei zahlreichen M-Health-Geräten waren 2G-Netzwerke in der Regel für die erforderliche Bandbreite und Funktionalität durchaus ausreichend. Mobilfunkbetreiber haben jetzt allerdings begonnen, alte Netzwerke außer Betrieb zu nehmen, da zunehmend in 4G-Infrastruktur investiert wird. Um ein gewisses Maß an Zukunftssicherheit in M-Health-Geräte einzubauen, die eventuell für eine viel längere Betriebsdauer ausgelegt sind als Konsumgüter für den Fitness-Markt, sollte Mobilfunkkonnektivität mit 3G- und 4G-Modulen vorgesehen werden. Der anfängliche inkrementelle Aufwand wird sich höchstwahrscheinlich im Laufe des Betriebslebenszyklus des Endprodukts mehr als rentieren, da weniger Updates erforderlich sind, um mit Aktualisierungen von Netzwerken Schritt zu halten. Es lohnt sich auch sicherzustellen, dass die Platine unabhängig von dem verwendeten Mobilfunkmodul zu einem späteren Zeitpunkt leicht aufgerüstet werden kann, ohne das Layout ändern zu müssen.

Mobilfunkmodems für Sprach- und Datenübertragung (Bild 6) bieten dank des Nested-Design-Formfaktors eine Drop-In-Migration verschiedener Module wie Toby-L2 (4G-LTE), Sara-U2 (3G) und Sara-G3 (GSM). Leiterplatten müssen für eine Produkt-Upgrade nicht geändert werden.

Bild 6: Toby-L2 Blockdiagramm: Das Modul verfügt über ein integriertes Mobilfunk-Sender-Empfänger-Modul, einen Baseband-Prozessor, Antennenschalter und Filter sowie Energie-Management-Funktionen.

Bild 6: Toby-L2 Blockdiagramm: Das Modul verfügt über ein integriertes Mobilfunk-Sender-Empfänger-Modul, einen Baseband-Prozessor, Antennenschalter und Filter sowie Energie-Management-Funktionen.U-Blox

Die schnellsten derzeit verfügbaren Toby-L2-Module erreichen Geschwindigkeiten im Download von bis zu 150 MBit/s und im Upload von bis zu 50 MBit/s. Sie sind in Varianten für Nordamerika, Europa, Asien/Pazifik und Südamerika erhältlich, sodass mit ihnen ausgestattete Produkte leicht für globale Märkte angepasst werden können. Toby-L2-Module bieten einen zuverlässigen Betrieb in anspruchsvollen Umgebungen. Sie haben eine Betriebstemperatur von -40 bis +85 °C und werden wie andere Komponenten und Module von U-Blox in gemäß ISO/TS 16949 zertifizierten Fabriken hergestellt.

Alle Mobilfunkmodule von U-Blox sind für eine enge Integration mit den hauseigenen GNSS-Modulen ausgelegt und bieten Entwicklern damit eine Bandbreite von Optionen mit niedrigem Risiko, hoher Zuverlässigkeit und Leistung für die Kombination von Ortungsdaten mit Mobilfunkkonnektivität. Sie beinhalten außerdem Cell-Locate-Technologie von U-Blox, mit der eine eigenständige ungefähre Standortbestimmung anhand von Daten umliegender Mobilfunk-Basisstationen zusammen mit GPS-Positionierungsdaten möglich ist. Die Positionierungsgenauigkeit und -geschwindigkeit werden insbesondere in abgeschirmten Umgebungen, wo GNSS-Signale beeinträchtigt sind, verbessert.

Höhere funktionale Integrationsdichte

Je mehr Funktionen auf einem Stück Silizium oder auf einem Modul vereint werden können, desto kostengünstiger die Lösung. Die Kosten je Funktion sinken mit zunehmender Integration. Sehr bald wird es eine noch engere Integration der GNSS-Funktionalität mit einer Reihe von Konnektivitätsoptionen auf denselben Modulen geben, einschließlich Wi-Fi, Bluetooth und Mobilfunk. Und vielleicht werden in Zukunft all diese Funktionen sogar in integrierten Schaltungen kombiniert.