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Bild 1: Überwachung von Vitalparametern mit einem Wearable. (Bild: Maxim Integrated)

Eck-Daten

Dieser Artikel stellt die grundlegenden Ideen bei der Messung von Biopotenzial und Bioimpedanz vor und betrachtet die Schwierigkeiten, die dabei in Wearables auftreten. Ein neuer Ansatz vereinfacht diese Messungen signifikant und reduziert dabei gleichzeitig Gerätegröße und Energieverbrauch.

Durch Fortschritte in der Halbleitertechnologie ist es heute möglich, fast alle Signale des menschlichen Körpers – auch die, die in der Regel nur im klinischen Umfeld beobachtet werden – mit Wearables zu messen und aufzuzeichnen (Bild 1). Zu den wichtigsten Signalen, die gemessen werden, gehören die des kardiorespiratorischen Systems (Herz und Lunge). Entwickler von Wearables stehen vor der Herausforderung, die Größe und den Energieverbrauch der Geräte so weit wie möglich zu reduzieren, um deren Batterielebensdauer zu verlängern. Herzschlag und Atmung können auf verschiedene Art und Weise gemessen werden. Zwei der energiesparendsten Methoden messen die elektrischen Signale des Herzens (Biopotenzial) und den elektrischen Widerstand des Brustkorbs (Bioimpedanz).

Biopotenzial und Bioimpedanz

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Bild 1: Überwachung von Vitalparametern mit einem Wearable. Maxim Integrated

Bild 2: R-R-Intervall in einer typischen EKG-Wellenform.

Bild 2: R-R-Intervall in einer typischen EKG-Wellenform. Maxim Integrated

Für Biopotenzial-Messungen müssen zwei oder mehr Elektroden auf der Haut des Patienten platziert werden, um die kleinen, vom Herz erzeugten elektrischen Signale zu detektieren. Die Signale werden dann aufbereitet und an einen Mikroprozessor gesendet, der sie speichert, weiterverarbeitet und/oder anzeigt. Drei wichtige Messungen am Herz werden mit dieser Technik durchgeführt: EKG, R-R-Intervall und Pace-Erkennung.

Ein Elektrokardiogramm (EKG) ist die Messung und zeitliche Darstellung der elektrischen Signale, die vom Herzmuskel erzeugt werden. Das R-R-Intervall ist die Zeit zwischen den Spitzenamplituden des periodischen elektrischen Signals des Herzens, den sogenannten R-Zacken (Bild 2).

Mit EKG- und R-R-Messungen kann der Herzschlag überwacht werden. Das hilft bei der Diagnose spezieller Herzleiden, wie zum Beispiel Herzrhythmusstörungen. Es kann jedoch kompliziert sein, diese Leiden zu diagnostizieren, da sie sich im Klinikumfeld nicht immer zeigen. Wearables geben dem medizinischen Personal die Möglichkeit, Patienten über einen längeren Zeitraum zu überwachen, auch außerhalb des Krankenhauses. So erhalten sie mehr Informationen, die eine Erkennung und Diagnose erleichtern.

Zusätzlich zum biologischen Signal des Herzens muss ein EKG bei Patienten mit implantiertem Herzschrittmacher auch ein menschengemachtes Signal erkennen. Dieses Signal wird als „Pace“ bezeichnet. Das Pace-Signal ist relativ kurz – einige zehn Mikrosekunden bis zu ein paar Millisekunden – mit einer Amplitude zwischen einigen Millivolt bis hin zu fast einem Volt. Ein EKG muss die Anwesenheit eines Pace-Signals erkennen und gleichzeitig verhindern, dass die Aufzeichnung des Herzsignals dadurch gestört wird.

Bioimpedanz (auch kurz BioZ) ist die Reaktion eines lebenden Organismus auf einen extern angelegten Strom. Sie ist ein Maß für den Widerstand des Gewebes zwischen zwei auf der Haut platzierten Elektroden. Sie wird für die Messung der Atemfrequenz und des Feuchtigkeitshaushalts eines Patienten verwendet.

Die nächste Seite befasst sich mit den widersprüchlichen Herausforderungen

Bild 3. Typische Anwendungsschaltung für EKG und Atmungsüberwachung mit vier Elektroden.

Bild 3: Typische Anwendungsschaltung für EKG und Atmungsüberwachung mit vier Elektroden. Maxim Integrated

Entwickler von tragbaren medizinischen Geräten sehen sich mehreren widersprüchlichen Herausforderungen ausgesetzt. Das Gerät muss die benötigten Messungen aufzeichnen, speichern und verarbeiten und dabei so klein wie möglich sein, damit es ohne Einschränkung der Funktion tragbar und komfortabel ist. Bestmögliche Tragbarkeit und maximalen Komfort erreicht der Entwickler, wenn er die Zahl der Elektroden auf ein Minimum reduziert. Da tragbare Geräte mit Batterien mit endlicher Ladung betrieben werden, müssen sie so wenig Strom wie möglich verbrauchen, um die Zeit zwischen dem Auswechseln der Batterie beziehungsweise dem Wiederaufladen zu maximieren. Doch Entwickler müssen nicht nur Größe und Energieverbrauch reduzieren, sondern auch sicherstellen, dass die Funktionen des Geräts anspruchsvolle klinische Standards erfüllen. So müssen Bauteile, die in EKG-Aufnahmegeräten verwendet werden, dem Standard IEC60601-2-47 entsprechen und einen IEC61000-4-2-konformen ESD-Schutz aufweisen. Das Gerät muss auch unbedingt erkennen, wenn sich eine Elektrode vom Patienten gelöst hat (auch im Standby-Modus). Die Komplexität dieses Problems ist proportional zur Anzahl der benötigten Elektroden.

Systementwickler hatten bisher nicht den Luxus, einen einzigen IC aussuchen zu können, der diese Ziele erreicht. Manche ICs bieten die Möglichkeit, einzelne EKG- und BioZ-Kanäle zu benutzen, benötigen aber externe Schaltungen, um Pace-Signale zu detektieren und R-R-Intervalle zu messen. Andere ICs können Pace- und BioZ-Signale detektieren, benötigen aber drei Paare von Elektroden (Kanäle), um ein präzises EKG aufzuzeichnen. Zusätzlich benötigen sie immer noch externe Schaltungen, um R-R-Intervalle zu messen.

Eine integrierte Lösung

Ein neuer IC, der erfolgreich diese Grenzen überwindet, ist das Einkanal-Ultra-Low-Power Analog-Front-End () MAX30001 von Maxim Integrated.. Dieser Baustein benötigt nur ein Elektrodenpaar (ECGP, ECGN) für Biopotenzial-Messungen und ein weiteres Paar (BP, BN) für BioZ (Bild 3). Dennoch enthält es Pace-Erkennung und R-R-Intervall-Messungen in einem einzigen integrierten 30-Pin-WLP-Gehäuse.

Trotz der zusätzlichen Funktionen verbraucht der MAX30001 wesentlich weniger Strom als andere Lösungen. Seine Stromaufnahme beträgt typischerweise 232 µA, wenn alle Funktionen aktiviert sind, und 95 µA bei reinen EKG- und R-R-Intervall-Messungen. Das ist eine Verbesserung um fast 50 Prozent im Vergleich zu anderen Lösungen, die typischerweise 450 µA oder mehr aufnehmen. Ein Teil der Energieeinsparung wird durch die Integration der Algorithmen zur Herzschlagmessung direkt in den MAX30001 erreicht. Dadurch ist kein Back-End-Mikroprozessor mehr nötig, der für die Berechnung bis zu 100 µW verbraucht. Im Stand-By-Modus verbraucht der MAX30001 nur 0,63 µW. Dabei erkennt er dennoch, ob sich alle Elektroden am Patienten befinden. Der MAX30001 ist bei allen relevanten Spezifikationen zum IEC60601-2-47 EKG-Standard-konform und entspricht auch an seinen Eingangs-Pins dem IEC61000-4-2 ESD-Standard.

Zusammenfassung

Bei der Entwicklung medizinischer Wearables gilt es, widersprüchliche Anforderungen zu berücksichtigen: Es muss so viel Funktionalität wie möglich, mit möglichst niedrigem Energieverbrauch auf der kleinstmöglichen Fläche untergebracht werden, und dabei müssen gleichzeitig die nötigen gesetzlichen Standards erfüllt werden. Das Biopotenzial- und Bioimpedanz-AFE MAX30001 löst diese Probleme, indem es mehr Funktionen mit einem kleineren Energieverbrauch als bisher möglich in einem einzelnen integrierten Gehäuse vereint. Das AFE eignet sich gut für eine Reihe von Anwendungen, vom Einkanal-EKG für die Erkennung von Herzrhythmusstörungen, über drahtlose Pflaster für die Überwachung stationärer und ambulanter Patienten, Herzmonitore für Fitness-Anwendungen mit Brustgurt, Bio-Authentifizierung, EKG-On-Demand-Anwendungen, Atem- und Hydrationsüberwachung bis hin zur impedanzbasierten Herzschlagmessung.

Andrew Burt

Executive Business Manager bei Maxim Integrated

Michael Jackson

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Senior Technical Writer bei Maxim Integrated

(ah)

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