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So verändern Wearables die Medizin

21. Februar 2020, 14:29 Uhr   |  medical design

So verändern Wearables die Medizin
© Bragi

Kleine Anwendung, viel Power: Mikrobatterien liefern Energie für Wearables und Herables.

Wearables haben sich längst vom Image des Fitnessgadgets emanzipiert. Dank immer genaueren Messungen bei gleichzeitig kompakteren Abmessungen sind sie wichtiger Assistent für Arzt und Patient.´Was heute bereits möglich ist und welche Anforderungen das an die Elektronik stellt, zeigt unser Wiki.

1. Definition: Was sind Wearables?

Werables sind tragbare Computertechnologien beziehungsweise Computersysteme, die am Körper, in Körpernähe oder im Körper getragen werden. Demnach gehören auch Herzschrittmacher, Hörgeräte sowie aktive Implantate zur Familie der Wearables. In der Regel sind damit jedoch Geräte gemeint, die während der Anwendung am Körper des Benutzers angebracht oder in dessen Kleidung integriert sind. Man spricht auch von Wearable Technology oder Wearable Computing, wobei letztere sich mit der Entwicklung und Umsetzung von tragbaren Computersystemen befasst.

Die Hauptaufgabe von Wearables ist das Tracking  mithilfe von Hard- und Software, Applikationen und Sensoren. Die Daten dafür stammen aus der Umgebung (zum Beispiel Krankenhaus), dem Verhalten (zum Beispiel Aktivität) und dem physiologischen Zustand (zum Beispiel Herzfrequenz) des Nutzers.  Bekannte Beispiele für Wearable Computer sind Smartwatches, Datenbrillen oder Textilien, in die elektronische Hilfsmittel zur Kommunikation, Musikwiedergabe oder zur Messung von Aktivitäten und/oder Vitalparameter eingearbeitet sind.

2. Anwendungsbeispiele

Wearables sind aus dem medizinischen Alltag nicht mehr wegzudenken. Wurde anfangs das Konzept vor allem im Bereich der Therapie, beispielsweise in Form von Hörgeräten und Herzschrittmachern, genutzt, existieren dank der neuer Kommunikationsmöglichkeiten, der zunehmenden Miniaturisierung in der Technik sowie der Kostenreduzierung bei der Fertigung mittlerweile zahllose weitere Anwendungsfelder – von der Diagnostik über die Pflege und Rehabilitation bis hin zur Chirurgie

2.1. Wearables für die Überwachung der Vitalparameter

Gerade für chronische und akute Krankheiten ist das Monitoring von Vitalparameter von besonderer Bedeutung. In der Regel werden diese anhand zweier Messarten unterschieden. Zum einen gibt es die diskrete Messung, also die Messung des Zeitpunktes. Darunter fallen unter anderem die Herzfrequenz, der Blutdruck, Blutzucker und die Sauerstoffsättigung im Blut. Zum anderen gibt es die kontinuierliche Messung, zu der das Elektrokardiogramm (EKG) und die Elektroenzephalografie (EEG) zählen.

Hersteller von Wearables für die Überwachung der Vitalparameter sind zum Beispiel:

2.2. Wearables in der stationären Pflege

Im Bereich der stationären Pflege sollen Wearables vor allem das medizinische Personal entlasten. Die Anwendungen reichen von der Überwachung des Wundliegens mithilfe von elektronischen Pflastern (zum Beispiel von Moio) bis hin zu Frühwarnsystemen in der Intensivpflege (zum Beispiel von Moon Labs).

3. Anforderungen an die Elektronik

3.1.  Anforderungen an die Sensoren

Für Wearables-Sensoren gelten die üblichen Anforderungen für den Einsatz in mobilen Geräten: Sie müssen kompakt und energieeffizient sein. Außerdem müssen die Emitter neben einer hohen Effizienz auch ein schmalbandiges Emissionsspektrum aufweisen, um konsistente Messungen zu gewährleisten.

Fast alle Geräte sind mit einem optischen Sensor zur Messung der Herzfrequenz ausgestattet. [1] Dieser nutzt den Umstand, dass sich die Blutmenge in den Arterien mit dem Herzzyklus ändert. Weil das im Blut enthaltene Hämoglobin Licht absorbiert, kann die Änderung der Blutmenge in den Arterien optisch gemessen werden. Ein Sensorsystem für diese Photoplethysmographie (PPG) besteht aus aus einer oder mehreren LEDs, einem Detektor, einer LED-Ansteuerung und einem A/D-Wandler für das Detektorsignal.  Ist der Sensor mit einem infraroten und roten Licht ausgestattet, kann aus den Messdaten auch die Sauerstoffsättigung des arteriellen Bluts berechnet werden.

Bei der Integration von PPG-Sensoren gilt es verschiedene optomechanische Aspekte zu beachten.  [2] Wird das Licht vom Gerät effizient in den Körper hinein und aus ihm heraus geleitet und gekoppelt? Dies ist entscheidend, um ein maximales Blutflusssignal zu erhalten und gleichzeitig das Rauschen aus der Umgebung (zum Beispiel durch Sonneneinstrahlung) zu minimieren. Auch wichtig: Werden für die jeweilige Position am Körper die richtigen Wellenlängen verwendet? Unterschiedliche Wellenlängen werden teils wegen der unterschiedlichen physiologischen Zusammensetzung des Körpers an verschiedenen Stellen benötigt und teils wegen des wechselnden Einflusses von Umgebungsrauschen an verschiedenen Stellen.

Beispiele aus der Praxis:

3.2. Anforderungen an die Stromversorgung

Die Anforderungen der Nutzer an Wearables sind hoch: Sie wollen hohe Funktionalität, mehr Nutzungs- und Anwendungsmöglichkeiten, einfachen Gebrauch sowie ergonomisches Design. Das bleibt nicht ohne Folgen für deren Stromversorgung.[3] In Hearables beispielsweise nimmt die Batterie rund 80 Prozent des gesamten Gerätevolumens ein. Zu großen Teilen bestimmt sie somit das Design, die Größe und die Nutzungsdauer eines Gerätes. Gestaltung und Leistungsfähigkeit der Batterie beeinflussen also das gesamte Produkt.

Die Lithium-Ionen-Chemie für wiederaufladbare Batterien bietet ein besseres Verhältnis von Energiekapazität zu Volumen sowie von Energiekapazität zu Gewicht als jede andere Batteriechemie in der Massenproduktion. Deshalb enthalten tragbare Produkte mit hohen Anforderungen an eine kleine Bauweise und ein geringes Gewicht Lithium-Ionen-Akkus. Das reicht für Tablets und Smartphones in der Regel aus, bei Wearables kommen Entwickler mit dieser Bauform jedoch nicht weit.

Hersteller von drahtlosen Headsets mit Bluetooth beispielsweise verwendeten eine benutzerdefinierte Lithium-Ionen-Batterie-Anordnung, in der die Zelle mit Aluminiumfolie umschlossen war, um einen Pouch zu bilden. Nachteil: Ein Gehäuse im Pouchstil ist nicht besonders robust und somit anfällig gegenüber vorzeitigem Ausfall, wenn es Erschütterungen und Vibrationen ausgesetzt ist. Eine Alternative sind Lithium-Ionen-Batterien in der Zellform eines Knopfes, zum Beispiel die CoinPower-Serie von Varta.

4. Quellen

[1] Dr. Christoph Goeltner:  Puls war nur der Anfang (27. Oktober 2016), https://www.medical-design.news/medizin-40-iot/puls-war-nur-der-anfang.135221.html (Stand 21. Februar 2020)

[2] Ryan Kraudel: PPG – Ein Verfahren für alle Fälle (2. Oktober 2018), https://www.medical-design.news/messtechnik-sensorik/teil-1-ppg-ein-verfahren-fuer-alle-faelle.158226.html (Stand 21. Februar 2020)

[3] Matthias Dorsch: Mehr Gestaltungsfreiräume dank Mikrobatterien (4. Juli 2018), https://www.medical-design.news/stromversorgung/mehr-gestaltungsfreiraeume-dank-mikrobatterien.153509.html (Stand 21. Februar 2020)

Schlagworte: Wearable Computing, mHealth, Elektronik, Sensoren, Stromversorgung

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