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Weltweit hat sich die Fettleibigkeit seit 1980 mehr als verdoppelt: Nach Untersuchungen der Weltgesundheitsorganisation sind mehr als 1,4 Milliarden Erwachsene auf der Welt übergewichtig. Im Jahr 2009 lag der Anteil der über 60-Jährigen weltweit bei 680 Millionen Menschen. Seit 2007 ist diese Zahl um 10,4 Millionen gestiegen – eine durchschnittliche Steigerung von 30.000 pro Tag. Beide Trends bereiten chronischen Krankheiten den Weg. Übergewicht und körperliche Inaktivität sind laut WHO besondere Risikofaktoren für Diabetes und Herz-Kreislauferkrankungen. Die Überalterung der Bevölkerung birgt Risiken für Erkrankungen der Atemwege und des Herz-Kreislaufsystems, für Schlaganfälle, Arthritis und Krebs.

Auf einen Blick

Feinfühlige Sensoren: Da die Bevölkerung weltweit immer älter wird und die Gesundheitskosten steigen, setzten sich Medizingeräte in der Breite immer stärker durch. Freescale zeigt anhand eines Blutdruckmessgerätes und eines Aktivitätssensors, wie Entwickler auf diese Trends reagieren können.

Überalterung und Übergewicht befinden sich auf dem Vormarsch, und daher sehen sich viele Länder steigenden Kosten im Gesundheitswesen und den damit verbundenen makroökonomischen Problemen ausgesetzt. Schon heute sind nach Angaben des US-amerikanischen CDC (Center for Disease Control and Prevention) mehr als 75 % der Ausgaben im Gesundheitswesen auf chronische Krankheiten zurückzuführen. Das Gesundheitswesen benötigt daher dringend proaktive und präventive Konzepte.

Gesundheitstechnik für die Massen

Diese allgemeinen Trends und die technologischen Fortschritte im Gesundheitswesen werden möglicherweise dafür sorgen, dass die Leistungen, die wir alle in Anspruch nehmen, bald ganz anders aussehen. Medizinische Geräte, die früher nur Krankenhäusern oder Arztpraxen vorbehalten waren, halten Einzug in gewöhnliche Haushalte. Tragbare Medizingeräte wie Blutdruck- und Blutzuckermesser oder Waagen sind mittlerweile über Datenhubs vernetzt oder übertragen die persönlichen Gesundheitsdaten an eine medizinische Cloud, wo sie sicher aufbewahrt werden. Alle möglichen medizinischen Geräte, die ihre Wurzeln in Kliniken und Krankenhäusern haben, machen sich auf, auch das Privatleben zu erobern.

Neben der Verlagerung solcher Geräte ins häusliche Umfeld lassen sich durch den breit angelegten Einsatz mobiler Kommunikationstechnologien im Gesundheitswesen beträchtlich Kosten sparen, der Durchgriff und der Zugang zu medizinischen Diensten verbessern und die Auswirkungen von Krankheiten reduzieren. Die Kosten für Mobilfunkmodule fallen immer weiter, bereiten integrierten Medizintechniklösungen den Weg und eröffnen neue Chancen für die Entwicklung innovativer Dienstleistungen. Die Fernüberwachung von Patienten soll unter anderem dazu dienen, die durch eine ungesunde Lebensweise und eine alternde Bevölkerung ausgelöste Kostenlawine einzudämmen.

Sensorik als Basis des Fortschritts

Halbleitertechnologien werden auch weiterhin bei der Entwicklung neuer Konzepte zur Realisierung tragbarer Geräte für Patientenüberwachung, -diagnose und -therapie eine Schlüsselrolle spielen. MEMS-basierte Druck- und Beschleunigungssensoren von Freescale aus der Xtrinsic-Reihe können lebenswichtige Daten in den folgenden Patientenüberwachungsanwendungen sammeln:

  • Blutdrucküberwachung
  • Invasive Blutdrucküberwachungsgeräte
  • Intrauterine Drucküberwachung
  • Steuerung von Krankenhausbetten
  • Respiratoren und Ventilatoren
  • Überwachung von Atemstillstand im Schlaf (Apnoe)
  • Gesundheits- und Fitnesssysteme
  • Dialysegeräte
  • Medikamentendosierung für Inhalationsgeräte
  • Geräte für die Physiotherapie
  • Aktivitätsmonitore

Eine mögliche Folge von Alterung und Übergewicht ist der Bluthochdruck. Die vom Blut auf die Arterienwände ausgeübten Kräfte können so hoch sein, dass sie Gesundheitsproblemen, wie Herzkrankheiten, Vorschub leisten. Der Blutdruck wird durch die Menge des vom Herzen gepumpten Blutes und den Widerstand des Blutflusses in den Adern bestimmt. Je mehr Blut das Herz pumpt und je kleiner die Adern, desto höher der Blutdruck.

Blutdrucküberwachung

Bild 1: Ein Blutdruckmessgerät braucht einen Drucksensor, zum Beispiel den MPXV5050GP.

Bild 1: Ein Blutdruckmessgerät braucht einen Drucksensor, zum Beispiel den MPXV5050GP.Freescale

Bei der Diagnose und Behandlung von Bluthochdruck setzen Ärzte vermehrt auf eine automatische Überwachung. Unter anderem benutzen entsprechende Messsysteme Arm- oder Handgelenkmanschetten. Bild 1 verdeutlicht das Blockschaltbild eines typischen Systems zur Blutdruckmessung.

Die Basisfunktion eines Blutdruckmessgerätes besteht darin, den Druck in den Adern zu messen. Ein Drucksensor registriert dazu den aktuellen Druck. Je nach diesem Wert regelt das Messgerät die Geschwindigkeit eines kleinen Kompressormotors. Die Druckmanschette drückt den Arm so lange zusammen, bis der so genannte systolische Druck erreicht ist. Dann kann die Luft aus der Manschette langsam wieder entweichen. Gleichzeitig nimmt der Drucksensor die Messwerte auf.

Xtrinsic-Drucksensoren von Freescale, wie der MPXV5050GP, sind speziell für solche Anwendungen konzipiert, bei denen hohe Qualität und Zuverlässigkeit eine Schlüsselrolle spielen. Die Sensoren decken ein breites Spektrum von Funktionen und Merkmalen ab, von einfachen Bausteinen bis hin zu solchen mit integriertem Verstärker und Temperaturkompensation. Die Baureihe mit Verstärker kann auf einfachste Weise an eine MCU angeschlossen werden. Die Drucksensor-Baureihe kommt mit niedrigen Spannungen aus und wurde auf maximale Energieeffizienz hin entwickelt. Kostensensitive Medizintechnik und portable Elektronik lassen sich so einfacher realisieren und eine Batterieladung reicht wesentlich länger.

Die Drucksensoren von Freescale basieren auf modernsten MEMS-Technologien, Dünnfilmmetallisierung und Bipolar-Halbleitertechnik. Damit lassen sich präzise arbeitende und hoch zuverlässige Sensoren zu wettbewerbsfähigen Preisen realisieren.

Aktivitätsmonitore

Viele durch Übergewicht und Alter bedingte chronische Leiden lassen sich durch regelmäßige körperliche Aktivitäten verzögern oder vermeiden. Ein Aktivitätsmonitor ist ein kleines Gerät, das Daten zu den körperlichen Verhaltensweisen eines Anwenders aufzeichnet. Normalerweise sollte das Gerät lange Zeit ununterbrochen laufen. Aktivitätsmonitore können die aufgezeichneten Daten auch auswerten und zusammenfassen. Bei solch einem Gerät handelt es sich um ein nicht-invasives Datenerfassungssystem. Unverzichtbares Basismodul ist ein Pedometer, das über vertikale Beschleunigungswerte die Schritte sowie die Zeit zählt, die der Träger mit bestimmter Aktivitätsintensität verbracht hat. Bei richtiger Positionierung kann das Gerät jeden einzelnen Schritt aufzeichnen und auch übliche Aktivitäten wie Treppensteigen, Schuhe binden und ähnliches erfassen. Normalerweise werden solche Geräte an der Hüfte oder am Handgelenk getragen.

Bild 2: In einem Aktivitätsmonitor werden Druck- und Trägheitssensoren kombiniert.

Bild 2: In einem Aktivitätsmonitor werden Druck- und Trägheitssensoren kombiniert.Freescale

Trägheitssensoren bilden das Herzstück vieler Aktivitätsmonitore (Bild 2). Diese Sensoren erfassen Änderungen von Kräften als Folge von Bewegung, Neigung, Drehung, Erschütterung und Vibration. Für Aktivitätsmonitore und Absturzdetektoren, die kurze Reaktionszeiten, hohe Empfindlichkeit, geringe Stromaufnahme, Betrieb bei niedrigen Spannungen und einen Standby-Modus voraussetzen, sind die Beschleunigungssensoren von Freescale die ideale Lösung.

Trägheitssensoren einsetzen

Ein Trägheitssensor kann auch eingesetzt werden, um zu erkennen, wenn ein Patient aufgrund eines körperlichen Ausnahmezustands stürzt. Beispielsweise könnte der Patient bei zu niedrigen Blutzuckerwerten ohnmächtig werden. Ein Trägheitssensor kann in diesem Fall die Sturzbewegung erkennen. Der Sensor kann dann einen Alarm auslösen oder einen Notruf über Funk anstoßen.

Freescales MMA8451Q ist ein intelligenter, kapazitiver Drei-Achsen-MEMS-Beschleunigungssensor mit 14 Bit Auflösung und besonders geringer Stromaufnahme. Dieser Sensor ist mit integrierten Funktionen vollgepackt. Der Anwender verfügt über eine ganze Reihe programmierbarer Optionen und zwei konfigurierbare Interrupt-Pins. Dank der integrierten Interrupt-Funktionalität ist eine Reduktion des Stromverbrauchs möglich, da der Host-Prozessor die Daten nicht laufend abfragen muss. Das ist gerade bei einem Aktivitäts- oder Absturzmonitor sehr hilfreich. Man kann sowohl auf Tiefpass- wie auch auf Hochpass-gefilterte Daten zugreifen, wodurch sich die Datenauswertung für die Erkennung von Stößen und kurzen Transienten auf ein Minimum reduziert.

Der Baustein lässt sich so einstellen, dass er aus einer beliebigen Kombination der konfigurierbaren integrierten Funktionen einen Interrupt als Wecksignal generiert. So kann der MMA8451Q Ereignisse überwachen und trotzdem während einer Periode der Inaktivität im Stromsparmodus verharren. Der MMA8451Q wird in einem 3 x 3 x 1 mm großen QFN-Gehäuse geliefert.

Druck und Höhe

Der Xtrinsic MPL3115A2 liefert hoch präzise Druck- und Höhendaten und kann mit unterschiedlichen Abtastraten arbeiten. Er zeichnet sich durch sehr geringen Stromverbrauch und intelligente Funktionen aus und kommt in medizintechnischen Anwendungen ohne weitere Datenverarbeitung aus. Mit einer Auflösung besser als 30 cm kann der Baustein die Daten eines Beschleunigungssensors komplementieren.

Wie sich die Bausteine sinnvoll zu einem Aktivitätsmonitor kombinieren lassen, zeigt Freescale mit einem Referenzdesign. Der Link dazu ist nachfolgend zu finden.

Jeannette F. Wilson

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ist Product Line Manager, Sensor and Actuator Solution Division, bei Freescale in Tempe, Arizona.

(lei)

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