Der NFC-Sensor-Transponder RF430FRL152H enthält eine Low-Power-MCU, FRAM und A/D-Wandler sowie ein SPI oder I²C-Interface.

Der NFC-Sensor-Transponder RF430FRL152H enthält eine Low-Power-MCU, FRAM und A/D-Wandler sowie ein SPI oder I²C-Interface.Texas Instruments

Unter Bio-Patch-Lösungen versteht man am Körper zu tragende Sensoren, die physiologische und psychologische Parameter kontinuierlich oder semi-kontinuierlich überwachen, ohne dass ihre Träger per Kabel mit einem Hub verbunden sind. Dabei liefern Messungen an der Hautoberfläche teils tiefe Einblicke in den Gesundheitszustand und die Befindlichkeit eines Menschen. Die elektrodermale Aktivität zum Beispiel lässt Rückschlüsse auf die Aktivität des Nervensystems zu. Physiologische Aktivitäten können die Schweißdrüsen anregen und damit die Leitfähigkeit der Haut verändern, was sich mit einem physikalischen Sensor erfassen lässt. Diese Möglichkeit, sowohl physiologische als auch kognitive Funktionen über längere Zeit außerhalb des klinischen Umfelds zu beobachten, ebnet den Weg zu innovativen Gesundheitsmanagement-Lösungen.

Daten sammeln und senden

Die Daten eines Bio-Patch-Sensors werden drahtlos an ein Gateway übermittelt. So überwachen sich die Patienten selbst oder das medizinische Personal kann Vitalzeichen aus der Ferne kontrollieren. Da Bio-Patches Einwegprodukte sind, brauchen Patienten keine Angst vor resistenten Keimen haben, die wiederverwendbaren Patches anhaften könnten. Außerdem können sie durch den direkten Hautkontakt präzisere Daten aufzeichnen als wiederverwendbare Wearable-Lösungen. Nicht zuletzt lassen sich Bio-Patches so am Körper platzieren, dass man bewegungsbedingte Störartefakte reduziert oder vermeidet.

Bild 1: Ein nicht-invertierender Verstärker dient zur Bestimmung der Hautimpedanz. Der verwendete 14-Bit-Sigma-Delta-ADC ist in den RF430FRL152H integriert.

Bild 1: Ein nicht-invertierender Verstärker dient zur Bestimmung der Hautimpedanz. Der verwendete 14-Bit-Sigma-Delta-ADC ist in den RF430FRL152H integriert.Texas Instruments

Eine Bio-Patch-Lösung auf Basis des Sensor-Transponders RF430FRL152H von Texas Instruments übernimmt die Aufbereitung der Sensorsignale, bevor er die Daten verarbeitet und per NFC an einen Empfänger in der Nähe überspielt. Als Sensoren kommen ein GSR-Sensor (Galvanic Skin Response) und ein Thermistor zum Einsatz – beide mit direktem Hautkontakt. Die Aufbereitung des GSR-Signals erfolgt mit einem nicht-invertierenden Verstärker. Interne Powermanagement-Funktionen des Transponders erkennen, ob die Stromversorgung per Batterie erfolgt oder ob sich die Einheit in der Nähe eines Hochfrequenz-Felds mit der NFC-Resonanzfrequenz von 13,56 MHz befindet. Der Baustein kann das HF-Feld induktiv koppeln und ohne Batterie im passiven Modus arbeiten, da sich aus dem HF-Feld genügend Energie für den Betrieb der kompletten Lösung gewinnen lässt. In diesem Fall erfasst der Bio-Patch nur dann Sensordaten, wenn es sich im Einwirkungsbereich eines geeigneten HF-Felds befindet.

Bild 2: Die Übertragungsfunktion der Schaltung lässt sich durch Variieren der Widerstände R5 und R9 anpassen.

Bild 2: Die Übertragungsfunktion der Schaltung lässt sich durch Variieren der Widerstände R5 und R9 anpassen.Texas Instruments

Hautsensoren

Bild 1 zeigt die Schaltung für den GSR-Sensor mit einem nicht-invertierenden Verstärker zur Erfassung des Hautwiderstands: Der im Transponder integrierte 14-Bit-Sigma-Delta-A/D-Wandler (ADC) erfasst das Ausgangssignal. Die in Bild 2 gezeigte Übertragungsfunktion der Schaltung ist auf die Impedanz trockener Haut abgestimmt, also zwischen 1 und 100 kΩ. Der Eingangswiderstand der Kurve in Bild 2 stellt die zu erwartende Hautimpedanz dar, während es sich bei VF2 um die vom 14-Bit-ADC erfasste Sensor-Ausgangsspannung handelt. Die Ausgangskennlinie lässt sich durch Modifizieren der Widerstandswerte R5 und R9 variieren.

Die Oberflächentemperatur der Haut wird mithilfe eines Thermistors und eines Referenzwiderstands erfasst. Hierzu fließt durch den Referenzwiderstand und den Thermistor ein kleiner Strom von 2,4 µA, um den Spannungsabfall an beiden mithilfe des Sigma-Delta-ADC zu erfassen. Anhand des Referenzwiderstands und des Stroms (beide sind genau bekannt) lässt sich der Widerstandswert des Thermistors und somit die korrelierte Temperatur präzise bestimmen.

Bild 3: Ansicht eines Bio-Patch-Prototyps, der auf dem Sensor-Transponder RF430FRL152H aufbaut.

Bild 3: Ansicht eines Bio-Patch-Prototyps, der auf dem Sensor-Transponder RF430FRL152H aufbaut.Texas Instruments

Bio-Patch-Prototyp

Der in Bild 3 gezeigte Prototyp eines Bio-Patches war für die Anbringung auf der menschlichen Haut vorgesehen und musste deshalb strapazierfähig und flexibel sein. Genau diese Eigenschaften zeichnen das als Basis-Substrat verwendete FR7013 aus. Der Eingang der GSR-Schaltung besteht aus zwei quadratischen Flächen an der Unterseite des Bio-Patches. Diese Elektroden sind vergoldet, um einer Oxidation entgegenzuwirken und das Rauschen zu verringern. Zusätzlich sollte ein leitendes Gel auf die GSR-Elektroden aufgebracht werden. Der Thermistor zur Temperaturmessung befindet sich ebenfalls an der Unterseite des Bio-Patches.

Der Transponder RF430FRL152H versorgt die GSR-Schaltung mit Strom und erfasst das analoge GSR-Signal mit dem integrierten 14-Bit-ADC. Der Spannungsbereich am Ausgang der GSR-Schaltung hängt von der Quellenspannung ab: Da die Speisung mit 3 V erfolgt, kann sich das Ausgangssignal zwischen 0 und 3 V bewegen. Am Ausgang der GSR-Schaltung war deshalb der aus den Widerständen R6 und R7 (siehe Bild 1) bestehende Spannungsteiler erforderlich. Dieser stellt sicher, dass das Ausgangssignal den Eingangsbereich des integrierten ADC nicht verlässt.

Bild 4: Die GSR-Messungen der App (oben) und des Oszilloskops (unten) geben den Verlauf vom anfänglich entspannten Zustand über Anspannung bis zum anschließenden halbentspannten Zustand wieder.

Bild 4: Die GSR-Messungen der App (oben) und des Oszilloskops (unten) geben den Verlauf vom anfänglich entspannten Zustand über Anspannung bis zum anschließenden halbentspannten Zustand wieder.Texas Instruments

Tests per Android-App und Oszilloskop

Im nächsten Schritt folgten Tests an menschlichen Probanden. Die Elektroden des Prototyps haben die Entwickler an der Testperson angebracht, um die physiologische Reaktion zu überprüfen, während ein Film emotionale Reaktionen provozieren sollte. Ein Oszilloskop und die zum Bio-Patch gehörende Android-App zeichneten die Sensordaten in einer Zeitspanne auf, die ungefähr drei Minuten vor einer Actionszene des Films begann und etwa drei Minuten nach der Szene endete. Der GSR der Testperson wurde somit erfasst, während sich der Gemütszustand von entspannt zu angespannt veränderte und schließlich wieder halbentspannt wurde. Bild 4 zeigt die Ergebnisse. Die Abtastraten der App (oben) und des Oszilloskops (unten) betragen 1 beziehungsweise 250 Abtastungen pro Sekunde.

Das Oszilloskop war am Spannungsteiler unmittelbar vor der Weiterleitung des GSR-Signals an den ADC angeschlossen. Bild 4 zeigt, dass sich die Testperson anfänglich in einem entspannten Zustand befindet, bis sich mit Beginn der Actionszene der Hautwiderstand verändert. Während der Szene schwankt der Widerstand entsprechend der Stimulation durch die Handlung des Films. Bild 4 zeigt ebenfalls, dass der Widerstand nicht sofort zu dem Wert zurückkehrt, der zuvor im entspannten Zustand herrschte. Stattdessen erfolgt die Normalisierung nur ganz allmählich. Möglicherweise ist dies auf die Nachwirkungen der physiologischen Reaktion auf die kognitive Stimulation zurückzuführen.

Eckdaten

Bio-Patches sind Einwegprodukte, die direkt auf der Haut Messungen vornehmen und die Werte drahtlos weitergeben. Für die Kommunikation eignet sich NFC, das auch gleich zur Stromversorgung dienen kann. Texas Instruments stellt hier einen Transponder vor, der neben NFC auch Powermanagement, Datenverarbeitung und AD-Wandler für die Sensoranbindung mitbringt.

Bild 4 belegt jedoch auch die korrekte Funktion der Android-App, deren Daten exakt jenen des Oszilloskops entsprechen. Die App zeigt in der oberen Kurve die Ganglinie des GSR-Werts und in der unteren Kurve den Temperaturverlauf. Das Inbetriebsetzen des Bio-Patches, das Abfragen der Daten und deren Übertragung zum Telefon dauern etwa 2 s. Während der Abfrage sollten Anwender das Telefon im Interesse einer einwandfreien induktiven Kopplung nahe an den Bio-Patch halten. Die Erfassung von GSR-Wert und Temperatur sollte auch durch Kleidung hindurch möglich sein; die ungefähre Leseentfernung zwischen Prototyp und Android-Mobiltelefon beträgt rund 2 cm.

Sensortransponder RF430FRL152H

Der RF430FRL152H enthält eine Front-End-Schaltung für die drahtlose NFC/RFID-Kommunikation mit Unterstützung des HF-Protokolls ISO 15693. Integriert sind ferner ein programmierbarer 16-Bit-Mikrocontroller, ein 14-Bit-Sigma-Delta-ADC mit extrem niedrigem Eingangsstrom, geringem Rauschen und äußerst kleinem Offset sowie ein nichtflüchtiger FRAM-Speicher von 2 kByte. Das FRAM speichert Daten und eignet sich, um den ROM-residenten Applikationscode zu ergänzen und anzupassen. Dieser Code koordiniert die Funkübertragung und die Sensorablesung und sorgt damit für ein Optimum an Konfigurationsflexibilität.

Dank des integrierten MSP430-Mikrocontrollers können Kunden den Chip vollständig programmieren und standalone ohne Host-Controller betreiben. Es lassen sich mehrere Sensoren anschließen, und auch die arithmetische Verarbeitung der Sensordaten lässt sich individuell anpassen. Das integrierte Powermanagement des Bausteins ermöglicht den Betrieb wahlweise per Batterie oder mit Energie aus dem HF-Feld. Die Energie aus dem NFC-HF-Feld reicht sogar, um einen externen Sensor zu speisen.

Der integrierte FRAM-Speicher verhält sich ähnlich wie DRAM. Es kann auf jedes einzelne Bit zugegriffen werden, und anders als bei Flash-Speichern ist weder eine spezielle Schreibsequenz erforderlich, noch wird eine Ladungspumpe zum Erzeugen höherer Programmierspannungen benötigt. FRAM erfordert zum Programmieren nur 1,5 V, Flash- oder EEPROM-Speicher dagegen 10 bis 14 V. Während die Flash-Programmierung auf einem Tunnelungs-Mechanismus beruht, erfolgt die Programmierung bei FRAM durch Polarisierung eines dipolaren Moleküls. Da diese Polarisierung nur 1 bis 2 ns erfordert, kann das FRAM beliebig als Daten- oder Programmspeicher dienen.

Test bestanden

Der hier als Prototyp beschriebene Bio-Patch ist für die künftige Implementierung auf einem flexiblen Substrat konzipiert, das sich zur Anbringung auf der Haut eignet. Es konnte nachgewiesen werden, dass sich der RF430FRL152H sowie die GSR-, Temperatur- und Antennenschaltungen auf einer flexiblen Leiterplatte unterbringen lassen. Mit einer eigens entwickelten Android-App lassen sich die GSR- und Temperaturwerte drahtlos per NFC auslesen und visualisieren. Der unauffällig tragbare Bio-Patch erlaubt die Erfassung wichtiger physiologischer Informationen durch den Patienten selbst und die sichere Weiterleitung an medizinisches Fachpersonal. Für die Zukunft ist zudem die Entwicklung von Algorithmen denkbar, die die Sensordaten mit bekannten physiologischen Zuständen wie Wasseranlagerung oder Bluthochdruck korrelieren.