Ein 48-jähriger männlicher Patient mit chronisch obstruktiver Lungenerkrankung wurde, ausgestattet mit einem Telemedizinsystem, aus dem Krankenhaus entlassen. Während seiner vierwöchigen Genesung hatte er täglich eine Videokonferenz mit seiner Krankenschwester, die aus der Ferne seine Vitalfunktionen und speziell seine Lungenfunktion überprüfte und Ratschläge zum weiteren Vorgehen gab. Krankenhäuser überall auf der Welt experimentieren damit, Patienten frühzeitig zu entlassen und zu Hause weiter zu versorgen. Sie wollen die Pflegesituation für die Menschen zu verbessern und die Krankenhausaufenthalte verkürzen.

Medizinelektronik daheim

Medizinische Geräte dringen vermehrt in die privaten Haushalte vor und müssen sich hier den selben Anforderungen wie reine Konsumelektronik stellen, zudem aber sicher und zuverlässig arbeiten. Hierzu sind an vielen Stellen der Applikation spezielle Chips sinnvoll. Texas Instruments stellt in diesem Beitrag viele Anforderungen und geeignete Lösungen vor.

Anwendungen für so genannte Home-Health- oder Tele-Health-Technologien zur gesundheitlichen Versorgung zu Hause sind die Behandlung chronisch Kranker, Dienste für die psychische Gesundheit, die postoperative Versorgung, die Möglichkeit einer eigenständigen Lebensführung für ältere Menschen, Gewichtsreduzierung, Fitness, Wellness und vieles mehr. Ausschlaggebend für den derzeitigen Boom der häuslichen Versorgung sind unter anderem das wachsende Durchschnittsalter der Bevölkerung, steigende Gesundheitskosten und der Bedarf an Gesundheitsvorsorge-Ressourcen in entlegenen und ländlichen Gebieten: Selbst in Deutschland herrscht auf dem Land eine medizinische Unterversorgung. Die nächsten Jahre werden durch ein zunehmendes Vordringen der Medizinelektronik in private Haushalte geprägt sein.

Medizinelektronik für das private Einsatzumfeld stellt im Unterschied zu Lösungen für den klinischen Einsatz völlig andere Anforderungen an die Leistungsfähigkeit, Features, Stromverbrauch, Tragbarkeit, Anschlussmöglichkeiten und die Kosten.

Größe und Preis

Medizinelektronik für den Patienten zu Hause hat viel mit Consumer-Elektronik gemein. Größe und Preis sind wichtige Faktoren, ob ein Produkt auf dem Markt erfolgreich ist oder nicht. Wie groß die Unterschiede sind, zeigt ein Vergleich: Das erste praktisch nutzbare EKG-Gerät, das Willem Einthoven vor 100 Jahren erfunden hat, wog rund 300 kg und wurde von fünf Personen bedient. Der Patient musste seine Arme und Beine in Wannen voller Natriumchloridlösung legen. Heute kann ein Patient sein EKG-Gerät problemlos am Körper tragen, ob zu Hause oder unterwegs, denn es wiegt nur wenige Gramm. Ein EKG-Monitor für den Klinikeinsatz mit 12 Ableitungen ist in der Regel auf einem Rollwagen installiert, während ein EKG-Gerät mit ebenfalls 12 Ableitungen für zu Hause auf Handheld-Format geschrumpft ist und bequem in die Hosentasche passt.

Bild 1: Komplettes Analog-Frontend für ein EKG-System auf Basis des ADS1298.

Bild 1: Komplettes Analog-Frontend für ein EKG-System auf Basis des ADS1298.Texas Instruments

Hochintegrierte Lösungen senken die Abmessungen und Kosten. Viele Blutdruck- und Blutzuckermessgeräte sind heutzutage als Single-Chip-Lösungen mit stromsparenden 16-Bit-Mikro­con­trollern des Typs MSP430 implementiert – ausgestattet mit einem integrierten Analog-Frontend (AFE), Schnittstellen, Echtzeituhr und LCD-Controller. Bausteine wie das EKG-Frontend in Bild 1, enthalten zusätzlich alle gängigen AFE-Funktionen für ein EKG-System, von den rauscharmen programmierbaren Verstärkern (Programmable Gain Amplifiers – PGAs) über acht hochauflösende Delta-Sigma-ADCs bis zum Right-Leg-Drive-Verstärker. Unterbrochene Ableitungen werden ebenfalls erkannt, und der Atemwiderstand wird gemessen. Bauelementekosten und Größe lassen sich gegenüber diskreten Implementierungen gravierend senken.

Einfache Anwendung

Patienten können ihre Geräte sehr unterschiedlich gut bedienen – sei es altersbedingt oder infolge körperlicher Einschränkungen. Benutzerfreundliches Design hilft Bedienungsfehler zu vermeiden und fördert die Verbreitung der Medizintechnik. Sprachhinweise, Touchscreens, grafische Benutzeroberflächen, die Beschränkung auf wenige Kabel sowie einfache und große Tasten können die Bedienbarkeit entscheidend aufwerten.

Touchscreens ermöglichen eine schnelle und intuitive Interaktion zwischen Gerät und Anwender. Auch wenn sie eine niedrigere Auflösung bieten als kapazitive Lösungen, sind resistive Touchscreens bei kleinen Displayformaten die kosteneffektivste Technologie. Außerdem sind sie beständiger gegen Flüssigkeiten, Chemikalien und andere Verunreinigungen und reagieren auf jegliche Berührung, ob per Finger oder Handschuh oder mit einem weichen oder harten Stift. Fünfadrig angeschlossene resistive Touchscreens können die Haltbarkeit gegenüber vieradrigen Lösungen verbessern, da sich die Elektroden hier an der untersten Schicht befinden und die oberste Schicht lediglich als Spannungsmesspunkt dient. So ist sichergestellt, dass auch ein beschädigter oder verkratzter Touchscreen weiter funktioniert.

Die Anschlussmöglichkeiten werden immer wichtiger. Zum Beispiel kann man ein Blutdruckmessgerät mit einem USB-Port ausstatten, um die Messdaten auf einem Computer zu archivieren und damit Trends erkennen. Eine Fitness-Armbanduhr ließe sich per WLAN mit einem sozialen Netzwerk verbinden. Ein Telemedizin-Monitor wiederum kann per Bluetooth mit unterschiedlichen Personal-Health-Produkten verbunden und gleichzeitig an ein WLAN angeschlossen werden, damit sich der zuständige Arzt in Echtzeit ein Bild vom Status seines Patienten machen kann.

Bei der Wahl geeigneter Netzwerkprotokolle sind viele Faktoren zu berücksichtigen, zum Beispiel die Zahl der zu vernetzenden Geräte, die Netzwerktopologie, die Übertragungsdistanz, der Stromverbrauch und die Interoperabilität mit anderen Systemen oder Geräten. USB dürfte das verbreiteteste leitungsgebundene Protokoll für die Kommunikation zwischen Device und Hub sein.

Drahtlos vernetzt

Bluetooth war der erste drahtlose Kommunikationsstandard, den die Continua Health Alliance zertifiziert hat. Dieses Branchenkonsortium wurde mit dem Ziel gegründet, ein System aus interoperablen Produkten für die individuelle gesundheitliche Versorgung zu schaffen. Das neuere Bluetooth Low Energy verbraucht nur einen Bruchteil der Energie gegenüber normalem und bringt alle Voraussetzungen mit, um in den kommenden Jahren zu großer Verbreitung zu gelangen. Dies wird jedoch davon abhängen, wie schnell entsprechende Profile verfügbar werden und ob ein umfassendes Ökosystem entsteht.

Weitere Funkprotokolle, ob standardisiert oder proprietär (etwa Zigbee oder ANT/ANT+) sind alternative Optionen für PAN (Personal Area Network) und LAN (Local Area Network). Als LAN sind in Kliniken sowohl Wi-Fi als auch WMTS (Wireless Medical Telemetry Service) gebräuchlich, während in privaten Wohnungen klar Wi-Fi dominiert. Darüber hinaus kommt leitungsgebundene Kommunikation über Breitbandverbindungen oder konventionelle Telefonleitungen zum Einsatz. Je nach Einsatzsituation und Anwenderkreis kann eine Kombination leitungsgebundener und drahtloser Interfaces sinnvoll sein. Zu berücksichtigen ist beispielsweise, dass ältere Menschen möglicherweise technisch nicht ausreichend versiert sind, um den WLAN-Zugang zu konfigurieren oder Bluetooth-Geräte miteinander zu verbinden. Die Installationskosten müssen deshalb in der Gesamtkostenrechnung berücksichtigt werden, wenn technische Hilfestellung benötigt wird. Ein eingebautes Funkmodem könnte für Anwender dieser Kategorie die einfachste Lösung sein.

Eine weitere Herausforderung ist die Koexistenz mehrerer drahtloser Kommunikationstechniken, etwa WLAN und Bluetooth. Beide nutzen zwar völlig unterschiedliche Übertragungsprotokolle, arbeiten aber im selben Frequenzband (2,4 GHz). Der Bluetooth-Betrieb reduziert die für das WLAN verfügbare Bandbreite um mindestens ein Drittel. Zusätzlich eingeschränkt wird die Bandbreite durch den Overhead und das Timing des Protokolls, und zwar speziell in den Stromspar-Betriebsarten. Wenn ein Wireless-LAN-Router beim Verbindungsaufbau keine Bestätigung erhält, kann es zu einem Timeout kommen und die Verbindung bricht ab. Ebenso kann, wenn Bluetooth nach dem Einschalten nach verfügbaren Geräten sucht und zu viele Unterbrechungen vorkommen, der Verbindungsaufbau fehlschlagen.

Bild 2: Diese Kombi-Lösung integriert das Wi-Fi- und das Bluetooth-Protokoll. Beide teilen sich sogar Antenne und Filterstufe.

Bild 2: Diese Kombi-Lösung integriert das Wi-Fi- und das Bluetooth-Protokoll. Beide teilen sich sogar Antenne und Filterstufe.Texas Instruments

Beheben lässt sich dieses Problem mit einer Kombilösung, die mehrere Funk-Standards auf einem Chip vereint. Zum Beispiel sorgt der Baustein WL1271 (Bild 2) auf der MAC-Ebene (Media Access Control) für eine ebenso intelligente wie reibungslose Kombination im Zeitbereich. Der Baustein ermöglicht die gemeinsame Nutzung von Antenne und Antennenfilter durch WLAN und Blue­tooth, so dass der Bauteileaufwand sinkt und weniger Leiterplattenfläche benötigt wird.

Portabilität

Integration, Batteriebetrieb und drahtlose Kommunikation sind die Voraussetzungen für ein tragbares Gerät. Gerade in der Medizinelektronik ist es nicht unüblich, Primärzellen im Format AA oder AAA zu verwenden, denn diese Batterien sind überall verfügbar und gewährleisten die sofortige Betriebsbereitschaft des Geräts. Wenn das System allerdings mit drahtloser Kommunikation ausgestattet ist, halten diese herkömmlichen Batterien unter Umständen nicht lange genug, so dass der Einsatz von Akkus erwogen werden sollte.

Bild 3: Die Akku- Ladelösung mit integriertem Power-Path- Management sorgt dafür, dass ein tiefentladenes Gerät sofort funktioniert, sobald es am Stromnetz hängt.

Bild 3: Die Akku- Ladelösung mit integriertem Power-Path- Management sorgt dafür, dass ein tiefentladenes Gerät sofort funktioniert, sobald es am Stromnetz hängt.Texas Instruments

Akkuladelösungen mit Power-Path-Management (Bild 3) bieten die Gewähr dafür, dass das Gerät unmittelbar nach dem Anschließen an das Stromnetz funktioniert, auch wenn die Akkus tiefentladen sind. Durch einen direkten Weg zwischen Netz und System verringert sich auch die Zahl der Lade- und Entladezyklen, was wiederum der Akkulebensdauer zugutekommt. Einfluss auf die Langlebigkeit der Energiespeicher hat zudem das Wärmemanagement: reduziert man die Wärmeentwicklung des Systems und isoliert die Akkus, so verlangsamt sich deren Alterungsprozess.

In Anwendungen, in denen die Verfügbarkeit der Akku-Stromversorgung kritisch ist, ist die präzise Anzeige des Ladezustands und der Restlaufzeit eine entscheidende Funktion. Dementsprechend kann der Anwender zum Laden aufgefordert werden, bevor die Akkukapazität zur Neige geht. Im Unterschied zu den traditionellen Coulombzähler-Methoden kommt die Impedance-Track-Technik ohne Lernzyklen auf eine Genauigkeit von 99 %, ohne Rücksicht auf das Alter des Akkus.

Auf Sicherheit achten

Gefälschtes Zubehör oder Betriebsstörungen können bei medizinischen Geräte ernste Sicherheitsprobleme heraufbeschwören – speziell wenn im privaten Bereich die Anwender weder überwacht werden noch professionell geschult sind. RFID (Radio Frequency Identification) und Authentifizierungs-Techniken können sicherstellen, dass nur passende Peripheriekomponenten zum Einsatz kommen. Die Healthcare-Branche nutzt RFID für verschiedenste Zwecke, von der Verfolgung medizinischer Produkte bis hin zu Kalibrierfunktionen. Außerdem gehen Pharma-Unternehmen mit RFID-Techniken erfolgreich gegen gefälschte Medikamente vor. Bei der RFID-gestützten Authentifizierung wird eine digitale Signatur generiert und fest im Speicher des RFID-Tags abgelegt, das in einem Etikett oder einer Packung steckt. Authentifizierte RFID-Lesegeräte nutzen diese Signatur, um das markierte Produkt auf seinem Weg durch die Logistikkette zu validieren. Voraussetzung hierfür ist, dass das Lesegerät über den öffentlichen Schlüssel des jeweiligen Herstellers verfügt.

RFID-Tags sind äußerst preisgünstig und klein, und ihre Antenne kann in den unterschiedlichsten Formen ausgeführt werden. Sie eignen sich deshalb zum Authentifizieren der verschiedensten Peripheriekomponenten. Wird beispielsweise ein RFID-Element mit runder Antenne an einem Kabel befestigt, kann das System die Legitimität des Kabels überprüfen, bevor es den Betrieb freigibt.

Als weitere Lösung kommen speziellen Authentifizierungs-ICs in Frage, die sich in der einfachsten Variante per Kennung ausweisen. Wesentlich robuster sind Challenge-and-Response-Verfahren und SHA-1/HMAC. Diese werden seit Jahren zum Authentifizieren von Internet-Transaktionen für VPNs (Virtual Private Networks), Banking und digitale Zertifikate genutzt.

Alle Aspekte bedenken

Bei Medizinelektronik für den privaten Gebrauch sind Größe, Preis, Benutzerfreundlichkeit, Portabilität und Sicherheit entscheidend. Hochintegrierte Lösungen reduzieren die Größe und die Gesamtkosten. Mit Touchscreen und Sprachhinweisen lässt sich eine einfach bedienbare Benutzeroberfläche realisieren und auch bei der Vernetzung ist etliches zu bedenken. Geeignete Batteriemanagement-Techniken verlängern die Laufzeiten. Per RFID und Authentifizierungstechniken lässt sich sicherstellen, dass nur zugelassene Bauteile zum Einsatz kommen und die Sicherheit nicht beeinträchtigt wird. Bei der Abwägung der verschiedenen Design-Alternativen ist es wichtig, sich außer den Designrisiken des Systems auch die Gefährdungen zu verdeutlichen, die sich aus der Einsatzumgebung und dem Endanwender ergeben.