Strom aus der Umwelt für medizinische Systeme

Dieser Artikel befasst sich mit verschiedenen Technologien, die Energie aus der Umgebung in Strom zur Versorgung medizinischer Systeme umwandeln, und wie diese Technologien in Designs integriert werden. Zur Erzeugung der Energie werden Solarzellen oder piezoelektrische Wandler verwendet. Die Technik eignet sich vor allem für medizinische Überwachungssysteme, die eine Miniaturisierung erfordern.

Bei zahlreichen medizinischen Anwendungen ist es sinnvoll, Energie direkt aus der Umgebung zu beziehen, um das manuelle Aufladen von Batterien zu umgehen und die Verfügbarkeit der Geräte zu erhöhen.

Leere Batterien können Datenverluste verursachen und dringend notwendige Systeme lahmlegen. Externe Ladesysteme müssen auch rechtzeitig angeschlossen werden. Wird dies unterlassen, sind wichtige Geräte möglicherweise nicht verfügbar, wenn sie am meisten gebraucht werden.

Und so ist die Sicherheit auch eine große Herausforderung für Systementwickler, die Energie für medizinische Wearable-Systeme aus der Umwelt gewinnen und manuelle Ladetechniken umgehen möchten. Auch wichtige Aspekte der Energieverwaltung müssen bei solchen Designs berücksichtigt werden. Aktuell stehen für diese Aufgaben eine Reihe von Entwicklungsboards zur Verfügung, die Energy Harvesting mit stromsparenden Mikrocontrollern und drahtlosen Kommunikationssystemen kombinieren.

Als Energiequelle für Sensoren und drahtlose Kommunikationstechniken in tragbaren medizinischen Geräten erfreut sich die Solarenergie zunehmender Beliebtheit. Das Herz eines solchen über eine Solarzelle gespeisten Designs ist ein extrem sparsamer Mikrocontroller, zum Beispiel der MSP430 von Texas Instruments. Dieser wird in dem Solar Energy Harvesting-Entwicklungskit eZ430-RF2500-SEH eingesetzt und steuert die lückenlose Stromversorgung eines drahtlosen Sensornetzwerk. Das Modul enthält eine Solarzelle, die für den Innenbetrieb optimiert ist und sogar unter schwachen Leuchtstofflampen ohne zusätzliche Batterien eine ausreichende Leistung für drahtlose Sensoranwendungen liefert. An dem Modul stehen auch Eingänge für externe Energieerzeuger, z. B. piezoelektrische Energiewandler, zur Verfügung.

Das System regelt und speichert die zusätzliche Energie in einem Paar Dünnschichtbatterien, die im geladenen Zustand ausreichend Strom für mehr als 400 Übertragungen ohne externe Spannung liefern können. Damit ist sichergestellt, dass die medizinischen Daten zuverlässig erfasst und übermittelt werden. Die Batterien werden bei ausreichend Licht automatisch geladen. Sie speichern ausreichend Energie, wenn die Anwendung im Standby-Modus läuft. Die Batterien haben auch eine sehr geringe Selbstentladung, was für ein Energy-Harvesting-System ohne externe Stromversorgung von entscheidender Bedeutung ist.

Das Entwicklungskit eZ430-RF2500 wird für den Betrieb von Energy-Harvesting-Anwendungen eingesetzt. Dieses USB-basierte MSP430-Entwicklungstool für Wireless-Anwendungen wird komplett mit der erforderlichen Hard- und Software für den 16 MHz MSP430F2274 Mikrocontroller und CC2500 Wireless-Transceiver geliefert. Der Transceiver arbeitet im lizenzfreien 2,4 GHz Band mit dem SimpliciTI Low-Power-Kommunikationsprotokoll von Texas Instruments und bietet die Anbindung an einen Knoten, der entweder ein PC oder ein eingebettetes Datenmanagementsystem sein kann. An dieser Stelle werden auch die Sicherheitselemente des Designs implementiert.

Abbildung 1: In den eZ430-RF2500-Entwicklungssystemen von Texas Instruments sorgt eine Solarzelle für die Stromversorgung des 2,4-GHz-Wireless-Transceivers, der die medizinischen Sensordaten an ein Datenmanagementsystem überträgt.

Das Energy Harvesting versorgt Sensoren und Drahtlosverbindung in diesem Design mit ausreichend Strom. Hochstromimpulse stellen besondere Anforderungen an Batterien. Die wiederholte Abgabe von Stromimpulsen oberhalb des empfohlenen Laststroms einer Batterie kann die Lebensdauer der Zelle verkürzen. Impulsströme von zig Milliampere sind im Sende- und Empfangsmodus von drahtlosen Sensorsystemen üblich. Leider verursacht die innere Impedanz der Zelle häufig einen internen Spannungsabfall, der die Zelle an der Abgabe von Impulsströmen mit der für die externe Schaltung erforderlichen Spannung hindert.

Dieser Effekt lässt sich zum Beispiel durch Verbauen eines Kondensators mit niedrigem Verlustwiderstand (Low-ESR-Kondensator) an der Batterie abschwächen. Die Batterie lädt den Kondensator zwischen den Entladungsimpulsen, und der Kondensator liefert den Impulsstrom an die Last. Die Kapazität des Kondensators kann für eine bestimmte Batterie in einer Anwendung recht einfach berechnet werden, wenn einige wichtige Parameter bekannt sind. Dazu gehören unter anderem Batterieimpedanz und -spannung, Betriebstemperatur sowie Amplitude und Dauer des Impulsstroms.

Das Entwicklungsboard eZ430-RF2500-SEH enthält die Firmware für den MSP430, die diese Beschränkungen berücksichtigt, sowie eine PC-Anwendung, über die alle verbundenen Wireless-Knoten und die gelieferten Daten anzeigt werden können.

Auch Silicon Labs bietet einen extrem sparsamen Wireless-Sensor an, der von einem Energy-Harvester versorgt wird und mit einem geeigneten Mikrocontroller kombiniert ist. Die Konfiguration eignet sich für medizinische Systeme, die in bestimmten Abständen aktiviert werden, um Werte zu messen und zu übermitteln. Durch die Stromversorgung mit einem Energy-Harvester brauchen über die gesamte Lebensdauer des Systems keine Batterien ausgewechselt zu werden. Die Lebenserwartung beträgt 15 Jahre (bzw. 7 Ah). Die Dünnschichtbatterie ist nur 0,17 mm hoch.

Der Sensorknoten nutzt den Wireless-Microcontroller Si1012 von Silicon Labs, der bei 919,84 MHz betrieben und von einer Solarquelle gespeist wird. Wenn der Knoten keine Daten sendet, bleibt der Controller im Standby-Modus, in dem er nur 50 nA verbraucht. Im aktivierten Zustand weist die Energy-Harvesting-Versorgung einen Leckstrom von ca. 3 µA auf, der bereits kompensiert wird, wenn 50 Lux auf die Solarzelle einwirken. Diese Anordnung ermöglicht selbst bei Dunkelheit die Versorgung des Systems für ca. 7 Tage und kann sowohl bei Innenbeleuchtungen von 200 Lux als auch bei Außenbeleuchtungen von 10.000 Lux eingesetzt werden.

Abbildung 2: Das Energy Harvesting Reference Design (RD-Entwicklungsboard) von Silicon Labs mit 919 MHz-Funkverbindung kann tagelang im Dunkeln arbeiten.

Der Knoten besteht aus einer Solarzelle, die Energie liefert, einem Gleichrichter, der AC-Schwingungsenergie in Gleichstrom umwandeln kann, und einem Energiemanager von Linear Technology, der Gleichstromenergie aufnimmt und auf konstante 4,1 V regelt. Diese Anordnung schützt auch die Batterie vor Tiefentladung. Sie wird bei Unterschreitung eines Spannungsschwellenwertes von der Schaltung abgetrennt.

Die Energiemanagement-Schaltung wandelt die 4,1 V Ausgangsspannung der Dünnschichtbatterie auf geregelte 2,7 V für den Wireless-Controller. Die wichtigsten Komponenten dieser Schaltung sind ein extrem stromsparender Low-Dropout-Regler (LDO), eine Spannungsabfall-Erkennung und ein 100 µF Tantal-Kondensator, der die Spitzenströme für die HF-Übertragung liefert. Der LDO-Abschaltkontakt ist mit dem Ausgang der Spannungsabfall-Erkennung gekoppelt, so dass das System solange nicht mit Strom versorgt wird, bis der 100 µF-Kondensator mindestens auf 3,0 V aufgeladen ist. Somit ist sichergestellt, dass das System sich nicht einschaltet, wenn nicht ausreichend Energie vorhanden ist, um die Anlaufphase abzuschließen. Das System braucht etwa 3 µA für den Betrieb – einen Wert, den die Solarzelle bei 50 Lux Lichteinstrahlung mühelos erreicht.

Wenn der Controller vom Standby-Modus in den Aktivmodus wechselt, erfasst er die aktuelle Temperatur (über den Temperatursensor auf der Platine), die Restladung der Dünnschichtbatterie und die Intensität des Umgebungslichts auf der Solarzelle. Diese Werte können für die Steuerung des Systems verwendet werden.

Eines der wichtigsten Merkmale ist der sehr niedrige Stromverbrauch sowohl im Standby-Modus als auch im Aktivmodus. Abbildung 3 zeigt das Aktivitätsprofil bei Versendung eines HF-Pakets pro Sekunde. Der Spitzenstrom beträgt 29 mA bei aktiviertem HF-Sender, und der Durchschnittsstrom über ein Drei-Minuten-Intervall beträgt 51 µA. Die Datenpakete werden über eine 128 kBit/s-Verbindung mit GFSK-Modulation bei einer Ausgangsleistung von +13 dB gesendet.

Abbildung 3: Das Aktivitätsprofil der Low-Power-Funkverbindung des RD-Entwicklungsboards zeigt, wie die Datenübertragung vom Energy Harvesting unterstützt wird.

Beide Entwicklungsboards verwenden dedizierte Wireless-Protokolle bei 2,4 GHz und 919 MHz. An dieser Stelle müssen noch Sicherheitselemente integriert werden.

Mithilfe von Bluetooth-Smart-Bausteinen kann eine verschlüsselte 2,4-GHz-Funkverbindung zu einem Smartphone mit integrierter Signalsicherheit bereitgestellt werden – dabei steigt jedoch der Stromverbrauch, den das Energy-Harvesting-System dann bewältigen muss. Bluetooth-Bausteine wie das BLE112-Modul von Silicon Labs (früher BlueGiga) können im DKBLE-Entwicklungskit zur Entwicklung von Herzfrequenzmessern mit dedizierter und optimierter Software eingesetzt werden.  Bei einem Stromverbrauch von 27 mA im Sendemodus und nur 0,4 µA im Standby-Modus kann es mit einem Power-Management-Subsystem kombiniert werden, um die Energie aus Solarzelle und Akku zu beziehen.

Abbildung 4: Das DKBLE-Entwicklungskit von Silicon Labs kann zur Entwicklung von Herzfrequenzmessern mit Bluetooth-Smart-Wireless-Verbindung eingesetzt werden.

Fazit

Für die Energieversorgung von medizinischen Wearable-Systemen stehen eine Reihe von Energy-Harvesting-Technologien zu Verfügung. Piezoelektrische Wandler und Solarzellen gewinnen ausreichend Strom aus der Umwelt, um eine unterbrechungsfreie Datenerfassung zu gewährleisten, und machen das manuelle Aufladen von Batterien überflüssig. Reichhaltig bestückte Entwicklungsboards stellen Energieverwaltung, Low-Power-Mikrocontroller und Software zur Verfügung, um solche Systeme zu implementieren. Mit neuesten Technologien wie Bluetooth Smart können die Verbindungen nun auch besser abgesichert werden, und eine spezielle Software macht solche Entwicklungen noch einfacher.