Big Five

Herausforderungen beim Design von mHealth-Lösungen

23. Oktober 2020, 08:46 Uhr   |  Sinjay Pithadia (Texas Instruments)

Herausforderungen beim Design von mHealth-Lösungen
© AdobeStock/ipopba

Die mobile Fernüberwachung bringt für Arzt und Patienten diverse Vorteile, stellt aber gleichzeitig die Entwickler vor große Herausforderungen

So unterstützt Texas Instruments Entwickler von Geräten für die Patientenfernüberwachung

Der Markt für Wearables zur Fernüberwachung von Patienten wächst mit hohem Tempo. Indem sie Ärzten die Möglichkeiten geben, ihre Patienten auch außerhalb der Praxis in Echtzeit zu überwachen, bieten Ausrüstungen für die Fernüberwachung einen Ausblick auf die Zukunft des Internet of Things im Gesundheitswesen. 

Die für Ärzte und Patienten gleichermaßen zeitsparenden Fernüberwachungliefert wichtige Informationen über ambulant behandelte Patienten. Mithilfe einer sicheren Verbindung zu einem drahtlosen Netzwerk bieten die Produkte den Patienten die Chance, das Krankenhaus früher zu verlassen und dabei ohne übermäßigen Verkabelungsaufwand auszukommen. Die heutigen Wearables für die Medizin messen nicht nur Vitalzeichen, sondern können auch als persönliche Notrufsysteme dienen. Obwohl es sich hier um verschiedene Endgeräte handelt, lassen sich doch fünf wesentliche Design-Herausforderungen benennen, die bei allen Systemen vorkommen.

Herausforderung 1: Batterielebensdauer

Geräte für die Patientenüberwachung in portabler Ausführung oder als Wearable arbeiten in der Regel batteriebetrieben, was die Batterielebensdauer zu einem der wichtigsten Kriterien bei der Kaufentscheidung macht. Kritisch ist diese deshalb, weil die meisten Systeme fortlaufend messen und überwachen. Sie erfordern daher eine sorgfältige Aufteilung sowie eine möglichst effiziente Nutzung des knappen Platzes und der verfügbaren Batterieenergie. Es kommt also darauf an, umfangreichere Funktionalität zu bieten, während bei knappen Platzverhältnissen über einen längeren Zeitraum mehr Energie zur Verfügung gestellt wird. Stromspar-Betriebsarten wie Standby, Sleep, Power Save, Hibernate und Shutdown sind wichtig dafür, den Stromverbrauch zu senken und die Batterielebensdauer zu verlängern. Auch die Aufweckzeiten und der Stromverbrauch im Standby-Modus spielen in drahtlosen Konnektivitäts-Lösungen eine wichtige Rolle. Selbst wenn sich der Hersteller für stromsparende Mikrocontroller und Analog-ICs

Blockschaltbild eines Wearable-Patientenmonitors
© Texas Instruments

Blockschaltbild eines Wearable-Patientenmonitors

entscheidet, wird es ohne ein optimiertes Power-Management nicht möglich sein, die neuesten Technologien in einem Design einzusetzen. Wenn die Applikation einen höheren Wirkungsgrad und eine längere Batterielebensdauer erreichen soll, kommt es auf die Wahl der richtigen Stromversorgungs-Architektur an. 

Die meisten Designer sind der Auffassung, dass Schaltregler oder -wandler den Wirkungsgrad der Stromversorgungs-Lösung verbessern, während Low-Dropout-Regler (LDOs) einen schlechten Wirkungsgrad bieten. Die Topologien der LDOs haben sich jedoch geändert, weshalb diese Bauelemente sehr niedrige Dropout-Spannungen erreichen können. Ist der Frontend-Teil aus Akkulader, zwischengeschalteten Gleichspannungswandlern und LDOs optimiert, gibt es zusätzlich noch die Möglichkeit, mit einem Load Switch den Shutdown-Strom eines jeden Verbrauchers zu reduzieren. Ein Funkmodul zum Beispiel nimmt auch im Deep-Sleep- oder Hibernate-Modus immer noch einen Strom von mehr als 10 µA auf, der sich mit einem Load Switch auf nur 10 nA absenken lässt.

Herausforderung 2: Tragbarkeit bzw. Abmessungen

Geräte wie Herzfrequenz-Monitore, Mehrparameter-Pflaster, kontinuierliche Blutzucker-Messgeräte, Hand-Pulsoximeter sowie Fitness- und Aktivitätsmonitore können in tragbarer Ausführung oder als Wearable realisiert werden. Viele dieser Geräte sind als Einweg-Produkte konzipiert oder besitzen Batterien, die ausgetauscht werden müssen. Deshalb werden insgesamt sehr kleine Abmessungen gefordert. 

Die Wahl des Batterietyps und des Ladegeräts, die Entscheidung zwischen Aufwärts-, Abwärts- und Aufwärts-Abwärts-Wandler sowie die Wahl des Gehäuses für drahtlos kommunizierende Geräte sind alle darauf ausgerichtet, die Größe des finalen Produkts zu reduzieren. Inzwischen gibt es neue Techniken, mit denen sich die Frequenz-Referenz in den Wireless-Mikrocontroller integrieren lässt. Mithilfe der BAW-Technologie (Bulk Acoustic Wave) von TI entfällt auf der Leiterplatte der Platzbedarf für einen externen Quarz, wodurch sich das Layout verkleinert und das Routing einfacher wird. Auch Verbesserungen an der Gehäusetechnik können helfen, den Integrationsgrad zu steigern und Platz zu sparen. 

Herausforderung 3: Patientensicherheit

Weltweit hat die Patientensicherheit höchste Priorität. Portable Mehrparameter-Patientenmonitore, die zur Messung verschiedener Vitalzeichen dienen, nutzen eine isolierte Stromversorgung und Datenübertragung, um für Patientensicherheit zu sorgen. Hierfür kommen Digitalisolatoren und isolierte Stromversorgungen zum Einsatz, wobei sich allerdings wichtige Herausforderungen einstellen. Diese betreffen die Regelung des Ausgangs, die Rückkopplungs-Mechanismen, den Eingangsspannungsbereich, die Ausgangsleistung und die Abmessungen sowie die Frage nach den geeigneten Stromversorgungs-Architekturen. Viele isolierte Power-Module neuerer Bauart, wie der Gleichspannungswandler UCC12050 von Texas Instruments, können bei verstärkter Isolation bis zu 500 mW Ausgangsleistung liefern. 

Herausforderung 4: Sichere Datenübertragung

Medizinische Sensorpflaster und portable Patientenmonitore mit drahtloser Konnektivität müssen ein Optimum an Sicherheit bieten, denn die an Pflegestation oder Arztpraxen übermittelten Patientendaten stellen höchst vertrauliche Informationen dar, was den Datendiebstahl hier zu einem überaus kritischen Aspekt macht. 

Absenkung des Shutdown-Stroms mit einem Load Switch mit geringem Leckstrom
© Texas Instruments

Absenkung des Shutdown-Stroms mit einem Load Switch mit geringem Leckstrom

Mehrere Sicherheitsmaßnahmen schützen geistiges Eigentum und Daten auf dem Weg vom Patienten zum Arzt. Diese Maßnahmen sollten Schutz vor Attacken bieten und die Patientendaten absichern – und zwar nicht nur während der Verarbeitung und der Aufbereitung der Vitalzeichen beispielsweise für die visuelle Darstellung, sondern auch während der Übertragung (auch als »Over the Air Security« bezeichnet). 

Herausforderung 5: Integration

Die Entwicklungszeit ist von entscheidender Bedeutung, weil die Markteinführung viele Labortests und Zulassungen (global wie regional) erfordert. Die Übertragung der Daten von zu Hause befindlichen Patienten lässt sich mit minimalem Integrationsaufwand realisieren, indem man die Anbindung an unterschiedliche Cloud-Anbieter ermöglicht. Durch umgehendes Hochladen von Patientendaten in die Cloud wird weniger Platz für eingebaute Speicherkarten benötigt. 
Die Code-Kompatibilität zwischen Plattformen wie Bluetooth, Bluetooth Low Energy und Wi-Fi kann den Programmieraufwand reduzieren. Die Integration von mehreren Cores, UARTs, Schnittstellenstandards und GPIOs wiederum deckt eine Vielzahl von Systemanforderungen und Schnittstellen für den Anschluss an zusätzliche Prozessoren ab.

Nützliche Links

Anmerkung: Sinjay Pithadia gehört auch zu den Referenten der eMEC 2020. Hier geht’s direkt zur Anmeldung.


 

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