Sensoren und Vernetzung mögen technisch weit auseinander liegen, doch erst gemeinsam ermöglichen sie viele Fortschritte in der Medizinelektronik. Zum Beispiel: Statt einfach nur einen einzelnen wichtigen Parameter zu überwachen, protokollieren die Systeme jetzt mehrere Kenngrößen. Und sie nutzen die gesammelten Informationen, um die jeweilige Situation zu erfassen, den Patienten zu beraten und, falls nötig, den Arzt zu alarmieren. Außerdem bleiben dank tragbarer Geräte die Patienten mobil und können sich zu Hause aufhalten, was bei vielen Messungen deutlich realistischere Resultate ergibt.

Fiebermessung

Ein einfaches Beispiel: Fiebermessung. Ein Bauteil wie der Temperatursensor ADT7420 von Analog Devices kombiniert die Messfunktion mit der Digitalisierung und bietet 0,5 °C Genauigkeit, 0,0078 °C Auflösung und ±0,015 °C Wiederholgenauigkeit. Außerdem ist das Bauteil mit einem I2C-Interface für die direkte Systemintegration ausgestattet.

Obwohl die Temperaturmessung wichtig ist, ist sie ein relativ problemloser Parameter, der nur einige größere gesundheitliche Aspekte ans Licht bringen kann. Jetzt aber ermöglichen MEMS-basierte Inertialsensoren (Beschleunigungssensoren) neue Applikationen, die mit anderen Mitteln einfach nicht oder nur sehr schwierig zu implementieren wären. Die Überwachung von Aktivitäten wird wohl so gebräuchlich werden, dass sie als das Fieberthermometer des 21. Jahrhunderts gelten darf.

Aktivitätsmonitor

Zum Beispiel können Entwickler Aktivitätsmonitore realisieren, die Körperbewegungen, Schritte (Pedometer) und sogar Stürze elektronisch verfolgen. Dazu muss der Sensor klein sein und genau arbeiten. Noch wichtiger sind eine geringe Stromaufnahme und die Möglichkeit, passende Algorithmen in den Prozessor zu implementieren. Diese Einheiten lassen sich sogar mit einem GPS-Subsystem kombinieren, um Positionsinfos zusammen mit den Daten zu sammeln oder eventuell medizinische Hilfe anzufordern.

Bild 1: Dreiachsige Inertialsensoren können die komplexen Signalverläufe erfassen, die bei einfachen Bewegungen, wie tägliche Aktivitäten und sogar Stürze, entstehen.

Bild 1: Dreiachsige Inertialsensoren können die komplexen Signalverläufe erfassen, die bei einfachen Bewegungen, wie tägliche Aktivitäten und sogar Stürze, entstehen.Analog Devices

Ein Beispiel für ein solches Produkt ist der ADXL362, ein dreiachsiger MEMS-Beschleunigungssensor mit ±2 / ±4 / ±8 g und sehr geringer Stromaufnahme. Das Bauteil nimmt über den gesamten Ausgangsdatenbereich weniger als 3 µA auf. Im durch Bewegung aktivierbaren Wake-up-Modus (mit einstellbarem Schwellwert) reduziert sich die Stromaufnahme auf nur 300 nA. Dieses Bauteil bildet den Sensorkern eines Bewegungs- und Falldetektors für Dauerbetrieb. Der interne 12-Bit-ADC bietet 1 mg/LSB Auflösung im 2-g-Bereich und ist über einen SPI-Port an den Mikrocontroller anschließbar. OEM-Entwickler können durch die Implementierung von Algorithmen, welche die Signalverläufe des Bauteils interpretieren und entsprechende Aktionen auslösen, zusätzlichen Nutzen für den Anwender schaffen (Bild 1), statt sich über die Erfassung von Daten über mehrere Achsen Gedanken machen zu müssen.

Herzensangelegenheiten

Bild 2: Die analoge Eingangsstufe AD8232 zur Überwachung der Herzfrequenz verfügt über die entscheidende Anschluss-Schnittstelle sowie die Signalaufbereitung für Geräte zur portablen Herzüberwachung ohne übermäßige Eingriffe oder Auflagen.

Bild 2: Die analoge Eingangsstufe AD8232 zur Überwachung der Herzfrequenz verfügt über die entscheidende Anschluss-Schnittstelle sowie die Signalaufbereitung für Geräte zur portablen Herzüberwachung ohne übermäßige Eingriffe oder Auflagen.Analog Devices

Ärzte möchten jedoch auch die weniger offensichtlichen Parameter überwachen, zum Beispiel die elektrischen Signale, welche die Verfassung des menschlichen Herzens beschreiben. Bis vor kurzem waren Geräte zur Überwachung von Biopotenzialen recht groß und energiehungrig. Auch hier verändern preiswerte, leistungsstarke Mixed-Signal-ICs mit geringer Stromaufnahme die Lage. So ist zum Beispiel die Eingangsstufe des AD8232 (Bild 2) zur Überwachung der Herzfrequenz ein integrierter Signalaufbereitungsblock für einpolige EKG- und andere Biopotenzial-Messapplikationen. Das Bauteil wandelt die von der Elektrode am Körper aufgenommenen winzigen Signale mit hohem Rauschanteil in große gefilterte Signale, die auf einfache Weise mit einem ADC mit mittlerer Auflösung digitalisiert werden können. Aufgrund der typischen Stromaufnahme von nur 180 μA eignet sich das Bauteil ideal für batteriegespeiste Applikationen.

Bild 3: Die Fast-Restore-Funktion im AD8232 verkürzt die Verzögerungszeit, die bis zur erneuten Erfassung gültiger Signale vergeht, nachdem eine offene Elektrodenverbindung erkannt und korrigiert wird.

Bild 3: Die Fast-Restore-Funktion im AD8232 verkürzt die Verzögerungszeit, die bis zur erneuten Erfassung gültiger Signale vergeht, nachdem eine offene Elektrodenverbindung erkannt und korrigiert wird.Analog Devices

Gegenüber EKG-Geräten für die Klinik, die bis zu 12 Anschlüsse überwachen, sind diese tragbaren Designs mit nur zwei oder drei Elektroden verbunden. Allerdings müssen sie sich anderen Herausforderungen stellen. Dazu zählt die konstante physikalische Bewegung der Patienten, die nicht wie etwa in der Klinik still sitzen oder liegen. Um das zu bewerkstelligen, enthält der AD8232 ein zweipoliges Hochpassfilter zur Eliminierung dieser irreführenden Signale. Der IC schaltet automatisch auf eine höhere Cut-off-Frequenz um, sobald am Eingang einer der Anschlüsse eine abrupte Änderung vorliegt. Ein typisches Beispiel hierfür ist das Anfassen der Haltegriffe eines Laufbands oder eines anderen Sportgeräts, das ebenfalls Herzsignale überwacht. Sobald das Signal eingeschwungen ist, schaltet das Filter zurück auf eine niedrigere Cut-off-Frequenz, um das Rauschverhalten zu verbessern. Dies ist die so genannte Fast-Restore-Funktion (Bild 3).

Konnektivität komplettiert die Lösung

Das Angebot der Sensor- und Mixed-Signal-ICs ermöglicht in Verbindung mit drahtlosen und leitungsgebundenen Konnektivitätslösungen viele neue Applikationen zur Überwachung von Parametern mit Medizingeräten. Smartphones entwickeln sich zusehends zu einem Daten-Hub für Überwachung und Unterstützung. Außerdem verbessern sich die Sensortechnologie und die zugehörige Signalverarbeitung. In der Folge ändert sich auch die Art und Weise, wie die gewonnenen Daten verwendet werden, um das Gesundheitswesen künftig weiter zu verbessern.