NFC-Sensor-Transponder

NFC-Sensor-TransponderZMDI, Senseonics

Mit mehreren Millionen registrierten Erkrankungen ist Diabetes heute eine Volkskrankheit und eine der wesentlichen Ursachen für zahlreiche Kreislauferkrankungen. Medizinisch unterscheidet man zwischen Patienten, bei denen die Bauspeicheldrüse kein Insulin produziert (Diabetes Typ-1) und Betroffenen, bei denen der Körper eine Resistenz gegen Insulin zeigt (Diabetes Typ-2). Insbesondere die Typ-1-Diabetes erfordert eine möglichst kontinuierliche Überwachung des Blutzuckerspiegels.

Zur Lösung dieses Problems hat das Unternehmen Senseonics einen Fluoreszenz-Sensor entwickelt, der die Basis für ein implantierbares, kontinuierliches Glukosemesssystem bildet. Das neuartige Sensor-Systemkonzept ist neben der kontinuierlichen Glukosemessung auch auf eine ganze Reihe weiterer Anwendungen adaptierbar.

Bild 1: Der Fluoreszenz-Sensor von Senseonics misst nur 15 mm x 3 mm; er dient als Basis für ein implantierbares Glukosemesssystem.

Bild 1: Der Fluoreszenz-Sensor von Senseonics misst nur 15 mm x 3 mm; er dient als Basis für ein implantierbares Glukosemesssystem.ZMDI, Senseonics

Die Elektronik des ambulant implantierbaren (in-vivo) Sensor-Moduls (Bild 1) ist in einem speziell für Senseonics entwickelten ASIC von ZMDI integriert. Das elektronische Systemkonzept basiert auf der Nutzung ISO-kompatibler Nahfeld-Kommunikation (NFC) und -Energieversorgung (ISO15693, zukünftig auch ISO14443-3) mittels loser, induktiver Kopplung. Befehle (zum Beispiel Messen, Daten speichern, Daten lesen, Diagnose), Daten und Energie werden dabei drahtlos vom NFC-Master zum implantierten Sensor-Modul, dem NFC-Sensor-Transponder, übertragen (Bild 2). Letzterer steuert den Ablauf, führt die jeweiligen Messaufgaben durch und sendet die Daten zurück an den NFC-Master, welcher die einzelnen Messwerte zum Beispiel in einen Glukosewert umrechnet. Der NFC-Master kann beispielsweise als ein spezifisches Armbandgerät ausgeführt oder auch direkt in einem Smartphone integriert sein.

Auf einen Blick

Ein besonderer ASIC von ZMDI nutzt NFC zur Kommunikation und Energieversorgung, kombiniert mit dem Treiber für eine UV-LED und den entsprechenden Photo-Sensoren sowie der Signalaufbereitung und -Verarbeitung. Mit diesem Chip hat Senseonics eine implantierbare Lösung zum Messen von Blutparametern entwickelt.

Bild 2: Das Prinzipbild der Funktionsweise des In-Vivo-Glukose-Biosensors zeigt, dass der Sensor per NFC mit Mobilgeräten kommuniziert.

Bild 2: Das Prinzipbild der Funktionsweise des In-Vivo-Glukose-Biosensors zeigt, dass der Sensor per NFC mit Mobilgeräten kommuniziert.ZMDI, Senseonics

Durch die Kombination von Wireless-NFC-Technologie mit einem optischen Signalübertragungsweg für die Bestimmung der Blutparameter – speziell der Glukosekonzentration – wird aufbautechnisch eine komplette Verkapselung des implantierbaren NFC-Sensor-Transponders möglich. Da nun aber auch die Energieversorgung drahtlos geschieht und das Sensor-Modul folglich batterielos agiert, ist die Lebensdauer nur noch durch inhärente Sensoreigenschaften begrenzt – das ist im Wesentlichen das Nachlassen der Fluoreszenzintensität des biochemischen Indikators, der sich auf der Außenseite des Sensors befindet.

NFC/RFID-Kompatibilität

Wesentliche Anwendungsvorteile für die Patienten resultieren aus der Integration von ISO-standardkompatiblen Kommunikations- und Power-Management-Komponenten. Die aktuelle ASIC-Version implementiert ein ISO15693-Transponderinterface. Das analoge ISO-Frontend nutzt einfache Amplitudendetektion zur Demodulation und ein steuerbares Lastverhalten mittels einer Clamp-Schaltung zur passiven Rückmodulation. Bei Letzterem wird das Magnetfeld mit der Modulationsfrequenz von ungefähr 423,75 kHz entsprechend gedämpft; diese Dämpfung detektiert dann der Reader oder NFC-Master. Der Anwendungsvorteil der ASIC-Realisierung als passiver Transponder liegt auf der Hand: im Sensor-Modul wird keine Batterie benötigt, und es besteht damit keine Einschränkung der Lebenszeit und In-Vivo-Verbleibedauer aufgrund von Energieversorgungseigenschaften.

Bild 3: Sensor-System-Topologie: Der aktive Reader (links, NFC-Master) versorgt und kontrolliert den passiven NFC-Sensor-Transponder.

Bild 3: Sensor-System-Topologie: Der aktive Reader (links, NFC-Master) versorgt und kontrolliert den passiven NFC-Sensor-Transponder.ZMDI

Die besondere Herausforderung besteht nun darin, zu verhindern, dass der Reader jedes Last-Schaltverhalten der digitalen und analogen Baugruppen, insbesondere des Sensor-Teils, als Rückmodulation fehlinterpretiert (Bild 3). Zusätzlich muss gewährleistet sein, dass für eine Sensor-Messung oder einen Messzyklus ausreichend Energie zur Verfügung steht.

Die größten Stromverbraucher des ASICs sind der Analog-Digital-Wandler sowie der LED-Treiber beziehungsweise die LED an sich. Diese brauchen etwa 0,35 mA bei einer intern geregelten Spannung von 2,8 V (ADC) oder bis zu 2 mA bei der ungeregelten Betriebsspannung Vsup ~ 4 V (LED) entsprechend der Topologie in Bild 3. Um trotz dieser notwendigen Lastunterschiede keine unerwünschten Frequenzanteile in der Luftschnittstelle zu generieren sind im ASIC speziell geformte, stetige Ein/Ausschalt-Rampen in der Power-Management-Einheit integriert. Dadurch werden die Spektralanteile, verursacht durch das Schalten, in einen Bereich um die 400 kHz verschoben – das relevante Passband liegt aber bei 13,56 MHz ±1 MHz. Das Datensignal wird somit nicht gestört.

On-Chip-Sensorik

Das Hauptmessprinzip zur Ermittlung der Glukosekonzentration nutzt zwei optische Kanäle. Eine vom ASIC gespeiste UV-LED emittiert Licht, welches von der Kapseloberfläche zurückgeworfen wird. Ein Spektralanteil besteht dabei genau aus dem emittieren UV-Licht und beinhaltet keinerlei Nutzinformation. Der Hauptspektralanteil jedoch, resultiert aus der Fluoreszenz der Indikatorchemikalie an der Außenseite des Sensormoduls. Hierbei werden genau nur jene Indikatoren zur Fluoreszenz angeregt, an welche sich Glukosemolekühle gekoppelt haben (Bild 2). Dabei gilt, dass die Intensität der Fluoreszenz direkt von der Konzentration der Glukose abhängt. Beide Spektralanteile (UV-Reflektion und Signal-Fluoreszenz) werden von spektral selektiven On-Chip-Fotodioden detektiert und im ASIC analog aufbereitet und digitalisiert.

Alle biochemischen Prozesse sind temperaturabhängig. Zur Kompensation dieses Einflusses ist im ASIC ein hochgenauer Temperatursensor integriert. Über diesen kann auf weniger als 0,2 K genau die tatsächliche Temperatur des Sensor-Moduls und des umgebenden Gewebes bestimmt werden.

Selbstdiagnose

Darüber hinaus sind im ASIC Eigendiagnostik- und Applikations-Status-Sensoren integriert. Bei der Eigendiagnostik werden dem Temperaturmesspfad oder dem optischen Messpfad (über die Fotodioden) vordefinierte Schaltungsoffsets hinzugefügt, die zu einer bekannten, erwarteten Änderung des ADC-Ergebnisses im Verhältnis zur entsprechenden Nicht-Diagnostik-Messung führen müssen. Dadurch lassen sich eventuelle ASIC-interne Alterungs- oder Drift-Effekte auch im implantierten Zustand des Sensors erkennen.

Tabelle 1: Optionen und Eigenschaften des Multi-Sensor-Front-Ends.

Tabelle 1: Optionen und Eigenschaften des Multi-Sensor-Front-Ends.ZMDI

Der On-Chip-Statussensor zur Messung der aktuell verfügbaren Feldstärke ermöglicht es, dem Patienten mitzuteilen, ob die Kopplung, sprich die Lage des NFC-Masters relativ zum Sensor-Modul, ausreicht oder verbessert werden muss, um genügend Energie für den Betrieb zu übertragen. Auf diesem Weg kann der Sonsor den NFC-Master auch informieren, wenn die Übertragungs- oder Sendeenergie sinken darf – falls die induktive Kopplung gerade mehr als ausreichend ist. Das ermöglicht eine Situations-optimale, energieeffiziente Systemauslegung der gesamten Applikation (NFC/Sensor-Transponder in Zusammenspiel mit NFC-Master). Tabelle 1 zeigt die entsprechenden Dynamikbereiche und Empfindlichkeiten der integrierten Sensoren.

Adaptierbarkeit durch digitale Steuerung

Bild 4: Die Systemsteuerung und der Messablauf ermöglichen bis zu acht Messungen pro Zyklus.

Bild 4: Die Systemsteuerung und der Messablauf ermöglichen bis zu acht Messungen pro Zyklus.ZMDI, Senseonics

Die digitale Steuerung der einzelnen Sensorkanäle erlaubt bis zu acht unterschiedliche Messungen pro Messzyklus. Ein Messzyklus ist dabei die tatsächliche Reaktion des NFC/Sensor-Transponders auf einen einzelnen Messbefehl des NFC-Masters. Je nach den gewünschten Informationen sowie der dafür notwendigen Messabfolge werden in einem Zyklus Messungen mit und ohne emittierender LED durchgeführt (Bild 4), die Einzelwerte in On-Chip-Registern zwischengespeichert und nach Beendigung aller Messungen die gesammelten Ergebnisse über die NFC-Schnittstelle übermittelt. Die einzige Begrenzung liegt dabei darin, dass der NFC-Master entsprechend der ISO-Standards eine Antwortzeit von maximal 20 ms zulässt. Ein Messzyklus inklusive Setup und Antwort muss somit innerhalb dieser Zeit geschehen, um kein No-Response-Timeout-Ereignis auszulösen.

Die Auswertung und Interpretation der einzelnen Sensor-Messwerte geschieht dann softwarebasiert auf der NFC-Master-Seite. Die freie Konfigurierbarkeit des Messzyklus’ ermöglicht die Anwendung des ASICs und seiner Einzelsensoren in verschiedenen Applikationen. So sind neben der Glukosemessung beispielsweise auch Messungen für Blutsauerstoff, Blutalkohol und vieles mehr denkbar. Hierfür kann das elektronische Sensor-System einfach angepasst werden – es bedarf dafür aber anderer biochemischer Indikatoren.

Im Test

Derzeit befindet sich das erste Gesamtsystem von Senseonics zur Glukosemessung in der klinischen Erprobung in den USA, Kanada, Großbritannien, Deutschland und Indien. Die Entwicklung dieses Systems und des zugrunde liegenden NFC/Sensor-Transponder-ASICs von ZMDI ist dabei ein erster Schritt auf dem Weg zu vollständig autonomen, robusten telemedizinischen und klinischen Anwendungen, die sich vollständig in den normalen Alltag integrieren lassen.