Vernetzte Medizintechnik entlastet den Arzt

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Bei chronisch degenerativen Krankheiten gibt es keine Aussicht auf Heilung. Der Patient wird ein Leben lang darunter leiden und sein Zustand sich verschlechtern. Da sich sein Körper im Laufe der Zeit auf die medikamentöse Behandlung einstellt, kann eine Tachyphylaxie auftreten. Bei dieser Toleranzentwicklung wird eine immer höhere Dosierung benötigt, bis der Patient eventuell überhaupt nicht mehr auf das Medikament reagiert. Manchmal wird eine Behandlung mit mehreren Pharmazeutika erforderlich. Umso wichtiger ist eine Überwachung, wie gut ein Medikament dem Patienten hilft. Allerdings können Ärzte nicht erwarten, dass Patienten mehrmals täglich vorbeikommen, um Testergebnisse auszuwerten und die Vitalfunktionen zu messen. Ein Arztbesuch pro Monat sollte ausreichen – das geht nur mit moderner vernetzter Medizinelektronik.

IoT und das Gesundheitswesen

Bild 1: Medizintechnik im Wearables-Format: Uhren können mehrere Sensoren enthalten und wichtige Vitalparameter drahtlos an den Arzt übermitteln.iStock

Das Internet of Things (IoT) wird zum Schlüssel für eine bessere Gesundheitsprävention, indem es Edge-/Sensor-Knoten, Mikrocontroller, Mikroprozessoren, Netzwerktechnik und Energiequellen mit IoT-Gateways vernetzt und über Service-Provider an die Cloud oder Rechenzentren anbindet. Medizintechnische Geräte können die Vitalfunktionen eines Patienten und die Einhaltung seiner Behandlung automatisch nachverfolgen. Intelligente Pflaster oder Sportuhren (Bild 1) sind bequeme Varianten, um die Parameter zu ermitteln.

Manche Werte könnten lebensbedrohlich sein, manche wichtig genug, um sie unverzüglich an das medizinische Personal weiterzuleiten, und andere könnten zeigen, wie gut einzelne Medikamente beim Patienten wirken. Intelligente Gateways müssen diese Fälle unterscheiden und passend agieren. Auch der Service-Provider spielt eine wichtige Rolle: erkennt er auffällige Werte, so sollte er diese zusammen mit der Anamnese des Patienten an einen Arzt vor Ort oder die Notfallstation eines Krankenhauses übertragen. Genau hier setzen Referenzdesigns und Produkte von Freescale auf Basis von MEMS-Sensoren, ARM Cortex-M4, Cortex-M0+, Cortex-A8, Cortex-A9 und Multiprocessing-Netzwerkarchitekturen an, die das gesamte Spektrum an Low-Power-MCUs, intelligenten Sensoren, komplexen Mikroprozessoren und Power-Architecture-Bausteinen abdecken.

Bild 2: Das Internet der Dinge vernetzt Edge-/Sensor-Knoten, Mikrocontroller, Mikroprozessoren, Netzwerktechnik und Energiequellen mit IoT-Gateways und bindet sie über Service-Provider an die Cloud oder Rechenzentren an.Freescale

Edge-/Sensor-Knoten

Die meisten IoT-Edge-Knoten bestehen aus Sensoren und möglicherweise Aktoren, einem Embedded-Prozessor, einem Konnektivitätsmodul und einer Energiequelle. Analoge Front-Ends (AFEs) sind die primäre Schnittstelle zwischen dem Patienten und der Datenverarbeitung. Viele Wearables werden als Ringe, Uhren, Pflaster und in anderen Formaten realisiert; für die häufigsten chronisch degenerativen Erkrankungen müssen sie verschiedene Parameter messen.

Bei Patienten mit primärer und sekundärer Hypertonie ist der Blutdruck entscheidend. Die Sensorik muss daher Systole, Diastole, mittleren arteriellen Druck und Herzfrequenz messen. Aktuelle Sensoren benötigen eine Manschette und sind daher für eine kontinuierliche Überwachung nicht praktikabel. Die dabei verwendete oszillometrische Messung ist fehleranfällig, wenn sich der Patient bewegt. Neue Technologien für kleine, manschettenlose Sensoren wie nach dem Photoplethysmographie-Prinzip (PPG) arbeitende Wearables mit Höhensensor werden derzeit untersucht.

Bild 3: Ihren Blutzucker messen Patienten heute mit speziellen Glukometern.iStock, Dmitriy Melnikov

Patienten mit Typ-1- oder Typ-2-Diabetes und Schwangerschaftsdiabetes müssen ihren Blutzucker messen (Bild 3). Je nachdem, wie streng sich der Patient an den Behandlungsplan hält, wie gut der Blutzucker eingestellt ist oder nach den spezifischen Bedürfnissen für die Arzneimittelgabe, nach der aktuellen Auswertung oder nach kontinuierlichen / planmäßigen Anpassungen genügen möglicherweise wenige Messungen am Tag. Technologien für die kontinuierliche Blutzuckermessung sind auf dem Markt erhältlich.

Für Patienten mit Herz-Kreislauferkrankungen kommt meist Elektrokardiographie (EKG) mit einer Ableitung zum Einsatz. Das EKG misst die Spannungsdifferenz zwischen einer Hauptelektrode und einer Bezugselektrode. Häufig blendet es auch Störsignale über eine Rückkopplung aus. Freescale-Bauelemente ermöglichen EKG-Pflaster im Wearables-Format, die bereits auf dem Markt sind. Ein solches Pflaster erfasst das Signal über im Baustein integrierte Elektroden und gibt dieses über eine Funkantenne weiter. Andere Geräte wie Herzfrequenzsensoren in Ringform befinden sich ebenfalls in Entwicklung.

Für Patienten, die an bestimmten Arten von Lungenbeschwerden leiden wie einer chronisch obstruktiven Lungenerkrankung (COPD), Asthma, Lungenkrebs oder bestimmten hämatologischen Erkrankungen ist Pulsoximetrie nötig. Hier kommt ein Diodenpaar zum Einsatz, um durch logarithmische Berechnungen die partiellen Sauerstoff-Sättigungswerte zu gewinnen. Daraus kann auch ein PPG abgeleitet werden.

Bild 4: Freescale hat für viele Knoten im Medical-IoT die passenden Bauteile.Freescale

Mikrocontroller und Mikroprozessoren

Die über die Sensoren gewonnenen Daten durchlaufen einige grundlegende Algorithmen, eine Schwellenerkennung und eine einfache Datenanalyse, bevor sie zur Auswertung vorliegen. Hier dreht sich alles um die hochgenaue Messung und die zeitnahe Übertragung der Daten bis hin zum Arzt. Da sich derlei Geräte üblicherweise über eine Batterie speisen, sind Stromspartechniken zwingend nötig. Darüber muss eine Verschlüsselung die Patienteninformationen und -daten während der Übertragung schützen.

Die Mikrocontroller (MCUs) aus Freescales Kinetis-Familie basieren auf den effizienten Cortex-M4- oder Cortex-M0+-Kernen. Für Anwendungen, die mit möglichst wenigen externen analogen Komponenten auskommen sollen und ein leistungsfähiges Messsystem benötigen, empfiehlt Freescale die Kinetis-K-Baureihe:

• Cortex-M4 (DSP/FPU)
• Präzisions-Mixed-Signal-Technologie, Flex-Memory-Technologie (EEPROM), HMI, Konnektivität und Sicherheitsfunktionen
• 50 bis 150 MHz, 32 kByte bis 1 MByte, 32 bis 256 Pin

Insbesondere verfügt die Kinetis-K50-MCU über ein integriertes Analogmessmodul, das integrierte Operations-, Transimpedanzverstärker und hoch auflösende A/D- und D/A-Wandlern beinhaltet.

Vernetzt und sicher

Darüber hinaus wartet die Familie mit IEEE-1588-Ethernet und Hardwareverschlüsselung, Full-Speed-USB-2.0 On-The-Go mit Ladegeräterkennung und einem flexiblen, stromsparenden Segment-LCD-Controller auf, der bis zu 320 Segmente unterstützt.

Für eine besonders gute Leistungsbilanz eignen sich die MCUs der Kinetis-L-Baureihe. Sie kombinieren die Energieeffizienz und Anwenderfreundlichkeit des Cortex-M0+-Prozessors mit der Rechenleistung, den Peripheriemodulen, der Supportlandschaft und der Skalierbarkeit des Kinetis-32-Bit-MCU-Portfolios. Sie sind Hard- und Software-kompatibel mit der Cortex-M4-basierten Kinetis-K-Baureihe und eröffnen damit einen skalierbaren Umstiegspfad hin zu höherer Rechenleistung, mehr Speicher und komplexerem Funktionsumfang.

IoT-Gateway mit Mikrocontrollern

IoT-Gateways können eine ganze Reihe von Datenzentren-Funktionalitäten übernehmen und die Dienste vor Ort am jeweiligen Standort bereitstellen. Sie treffen nicht nur einfache Entscheidungen für die angebundenen Edge-/Sensorknoten, sondern können auch riesige Datenmengen lokal analysieren und nur die wirklich nötigen Informationen an die Cloud übermitteln. Die IoT-Gateways können auch Metadaten übermitteln. Sie verfügen über jede Menge Speicher und arbeiten mit Standard- oder bei Bedarf mit Echtzeit-Betriebssystemen.

Mikroprozessoren wie die i.MX-6-Baureihe von Freescale eignen sich für Gateways, die ein Touchscreen-Display ansteuern, das Betriebssystem und Netzwerkprotokolle wie IPv6, 3G, Wi-Fi und andere Funkkommunikationsprotokolle abarbeiten und hohe Rechenleistung bereitstellen müssen. Diese skalierbare Multicore-Plattform basiert auf der Cortex-A9-Architektur und enthält Single-, Dual- und Quad-Core-Familien. Die vier Familien sind untereinander Pin-kompatibel. Nur der i.MX 6 Solo Lite wird in einem kleineren Gehäuse geliefert; immerhin ist er noch Software-kompatibel zu den anderen Familien.

Verbindung mit dem Netzwerk

Am Ende müssen die Daten den medizinischen Dienstleister erreichen. Diese entscheiden über ärztliche Maßnahmen und verhindern möglicherweise akute Komplikationen einer chronisch degenerativen Erkrankung. Man benötigt dazu Prozessoren, die den erforderlichen Datendurchsatz mit robuster Punkt-zu-Punkt-Kommunikation in Echtzeit bewältigen, zum Beispiel QorIQ-Prozessoren von Freescale.

Zwar könnten Handys als Gateway fungieren und eine Reihe von Edge-/Sensorgeräten kontrollieren und verwalten. Für viele Patienten ist ein Telehealth-Gateway aber besser, das unkompliziert in der Nutzung und einfach genug in der Wohnung zu installieren ist. Hierfür kommen zwei Power-Architecture-basierte Baureihen in Frage: Die QorIQ-AMP-Baureihe oder die P-Baureihe. Die AMP-Bausteine (T1 bis T5) basieren auf dem 64-Bit-Multithread-Kern e6500 und takten mit bis zu 2,5 GHz. Sie enthalten die Vector-Processing-Unit Altivec, um die Datenverarbeitung zu beschleunigen. Die P-Baureihe bietet Pin- und Softwarekompatibilität zwischen den P1- und P2-Familien mit Single- und Dual-Core-Optionen. Die stromsparenden und preisgünstigen P3- und P4-Familien mit Frequenzen von 533 MHz bis 1,2 GHz beim Dual-Core basieren auf dem e500mc-Kern und warten mit vier bis acht Kernen auf. Embedded Linux, QNX und Integrity sind nur einige der unterstützten Betriebssysteme.

Für die Interoperabilität medizintechnischer Geräte sorgen die Richtlinien der Continua Health Alliance. Sie basieren auf dem IEEE-Standard 11073 und kommen für USB, Zigbee, Bluetooth und NFC zur Anwendung.

Langfristige Vorteile

Das IoT macht es möglich, dass der Patient die Kontrolle behält und aktiv an seiner Behandlung und Heilung mitwirkt. Entsprechende Medizingeräte senken die sozialen und wirtschaftlichen Kosten für überlastete Ärzte und Pflegepersonal, verlagern Aktivitäten und Diagnostik vom Krankenhaus zum Patienten nach Hause, verhindern akute Komplikationen und verbessern die Behandlung der Patienten.

(lei)