Die Rolle von Sensoren in IoT-Anwendungen für Medizin und Gesundheitswesen

Von Carolyn Mathas

Zur Verfügung gestellt von Electronic Products


Ist die Rede vom Internet der Dinge (Internet of Things, IoT), dann denken wir zumeist an Sachen wie vernetzte Wohnhäuser oder vernetzte Communities. Doch auch medizinische Anwendungen rücken immer mehr in den Fokus. Ob bei Diagnose, Überwachung oder medizinischer Versorgung: Das IoT verschmilzt Kommunikation mit Sensorausgaben und ermöglicht so Funktionen, die noch vor Kurzem nur als Gedankenkonzept existierten. Dank dem IoT können Geräte Informationen sammeln und untereinander und mit der Cloud austauschen. Ganze Datenströme können so gesammelt und analysiert werden, und zwar in atemberaubendem Tempo.

Derzeit nähert sich die Generation der Baby-Boomer, die in den 25 Jahren nach dem Zweiten Weltkrieg geboren wurden, dem Rentenalter – allein in den USA sind das etwa 78 Millionen Personen, von denen viele ganz neue medizinische Bedürfnisse haben. Das ist dieselbe Generation, die einmal große Probleme hatte, so etwas einfaches wie ihre Videorecorder zu programmieren. Doch zum Glück wird die Programmierung dank der Fortschritte in der medizinischen IoT-Sensortechnik so gut wie überflüssig. Die Technik kommt heute in Form von mobilen Miniaturgeräten, die erstaunlich effektiv im Hintergrund arbeiten, ohne jegliche Benutzerinteraktion. Dieses drahtlos kommunizierenden Geräte werden entweder am Körper getragen, sind eingebettet oder Cloud-basiert.

Im Endeffekt wird das globale System medizinischer IoT-Geräte Milliarden von Geräten und Anwendungen umfassen, bei denen Sensoren, Aktoren, Mikrocontroller, Mobilkommunikationsgeräte und vieles mehr zum Einsatz kommen. Dann kann die auf individuelle Bedürfnisse abgestimmte medizinische Versorgung nicht nur effektiver erfolgen, sondern sie wird wegen des Skaleneffekts auch preisgünstiger.

Funktionsweise

Durch die Fortschritte in der Sensor- und Kommunikationstechnik kann zur medizinischen Versorgung nun auch die dynamische Erfassung von Patientendaten zählen, um die Vorsorge und Diagnose zu verbessern und sogar Behandlungsergebnisse zu messen. Durch Automatisierungs- und Echtzeitaspekte werden Fehler reduziert und Qualität und Effizienz erhöht. Heute erfassen auf Sensoren beruhende drahtlose Systeme medizinische Daten, die zuvor überhaupt nicht zugänglich waren, und versorgen die Patienten ganz direkt.

IoT-basierte Medizintechnik nutzt das IoT als Netzwerk aus Geräten, die direkt miteinander vernetzt sind, um Vitaldaten zu erfassen und über eine sichere SSL-Verbindung (Secure Service Layer) zu einem Server in der Cloud zu übertragen. Das IoT kombiniert Sensoren, Mikrocontroller, Mikroprozessoren und Gateways, um die Daten weiter zu analysieren und in die Cloud und weiter zu den betreuenden Institutionen zu senden.

Remote-Überwachung bedeutet für eine zunehmende Zahl an Patienten auf der ganzen Welt, dass sie Zugang zu angemessener medizinischer Versorgung haben. Über Sensoren werden Daten erfasst, komplexe Algorithmen analysieren die Daten, und medizinische Fachleute können drahtlos auf die Informationen zugreifen und Diagnosen stellen oder Behandlungsempfehlungen geben. Auch eine Rund-um-die-Uhr-Überwachung von Patienten ist möglich, womit auch leichteste Schwankungen erkannt und Fehldosierungen von Medikamenten vermieden werden können.

Mit zunehmender Alterung der Bevölkerung werden immer mehr unabhängig lebende Senioren ein Überwachungsgerät nutzen, das Stürze erkennen und sofort einen Rettungsdienst alarmieren kann. Strategisch positionierte Sensoren können die täglichen Aktivitäten überwachen und den Pflegediensten oder Familienangehörigen per Mobiltelefon Unregelmäßigkeiten melden. Die Rechenleistung der Anwendungen und die Drahtloskonnektivität können in mobile persönliche Gesundheits-Gateways eingebettet werden, um lebenswichtige Körperparameter zu messen und die gesundheitliche Versorgung zu organisieren.

Standards – eine der wesentlichen Herausforderungen für das IoT im Gesundheitswesen

Eine Unzahl komplexer Geräte miteinander zu verknüpfen, ist auf verschiedenen Ebenen problematisch. Und eine davon sind die Standards. Der Erfolg des IoT hängt von einer künftig noch stärkeren Standardisierung der Kommunikationsprotokolle ab.

Gegenwärtig wird daran gearbeitet, Richtlinien für die Drahtloskommunikation zwischen Überwachungsgeräten zu entwickeln, die Daten mit Pflegedienstanbietern austauschen. Die Entwickler müssen dabei Standards der unterschiedlichsten Seiten berücksichtigen, unter anderem:
  • Die Continua Health Alliance, ein Zusammenschluss von Medizin- und Technologiefirmen, dessen Ziel es ist, Richtlinien für miteinander kompatible persönliche Gesundheitslösungen zu schaffen. Von dieser Seite wurden bereits Spezifikationen für Kompatibilität veröffentlicht, die garantieren, dass Continua-zertifizierte Geräte mit anderen Geräten zusammenarbeiten, die ebenfalls das Continua-Siegel besitzen.
  • IEEE-Standards für LANs liefern die Definitionen für Wi-Fi-Netzwerke (IEEE 802.11) und ZigBee-Netzwerke (IEEE 802.15.4). Zu den PAN-Standards zählen Bluetooth und BLE, IEEE 802.15.4j, IEEE 802.15.6 in Verbindung mit BANs (Body Area Networks).
  • Zu den beteiligten Mobilfunkstandards zählen GSM/UMTS und CDMA.
  • Insgesamt hat die US-Gesundheitsbehörde FDA 25 Standards erkannt und aufgelistet, die für die Kompatibilität und Sicherheit von medizinischen Geräten wichtig sind.
Einige Beispiele für Sensoren

An der Verknüpfung von medizinischen Anwendungen mit dem Internet sind die unterschiedlichsten Sensortypen beteiligt. Hier einige Beispiele:

Der aus dem Hause All Sensors stammende Mini-Digitalausgangs-Sensor der DLVR-Serie (Abbildung 1a) basiert auf der CoBeam2-Technologie dieses Herstellers. Sie verringert die Belastungsempfindlichkeit des Gehäuses und sichert somit eine insgesamt bessere langfristige Stabilität.

Abbildung des Mini-Digitalausgangs-Sensors der DLVR-Serie von All Sensors

Abbildung 1a: Die DLVR-Serie verringert die Gehäusebelastung und steigert gegenüber Einzelmatrizen-Bausteinen erheblich die Positionsempfindlichkeit.

Der DLVR ist ein Digitalsensor mit einem Signalpfad, der ein Sensorelement, einen 14-Bit-Analog-Digital-Wandler, einen DSP und einen E/A-Block enthält, der eine I²C- oder SPI-Schnittstelle unterstützt (Abbildung 1b). Der Sensor enthält auch eine interne Temperaturreferenz und die zugehörige Steuerlogik zur Unterstützung des konfigurierten Betriebsmodus. Um Strom zu sparen, wird das Sensorelement abgeschaltet, wenn es nicht abgetastet wird. Da es nur einen A/D-Wandler gibt, ist am Frontend des A/D-Wandlers auch ein Multiplexer vorhanden, der dessen Signalquelle auswählt.

Abbildung der wesentlichen Funktionen des DLVR-Sensorbausteins

Abbildung 1b: Wesentliche Funktionen des DLVR-Sensorbausteins

Verschiedene Optionen bei der Versorgungsspannung erleichtern die Integration in die unterschiedlichsten Systeme und ermöglichen die Direktverbindung zu seriellen Kommunikationskanälen. Für batteriebetriebene Systeme können die Sensoren in Modi sehr niedriger Leistungsaufnahme zwischen den Messungen wechseln, um Belastungen der Stromversorgung zu minimieren. Die kalibrierten und kompensierten Sensoren liefern präzise, stabile Ausgaben über einen weiten Temperaturbereich. Während sie normalerweise für nicht korrosive, nicht ionische Arbeitsmedien wie Luft und Trockengase vorgesehen sind, gibt es optional auch eine Schutzbeschichtung für den Einsatz in feuchten und besonders rauen Umgebungen. Im Medizinbereich wird der Baustein für die medizinische Beatmung, Umgebungssteuerung und tragbare bzw. Handheld-Ausrüstung verwendet.

Bei medizinischen Anwendungen spielt die Temperatur oft eine wesentliche Rolle. Die Si701x/2x Einzelchip-Sensoren für relative Luftfeuchtigkeit und Temperatur von Silicon Labs (Abbildung 2) kombinieren werkseitig vollständig kalibrierte Luftfeuchtigkeits- und Temperatursensorelemente mit einem Analog-Digital-Wandler, der Signalverarbeitung und einer I²C-Hostschnittstelle.

Abbildung des Einzelchip-Sensors Si701x/2x für Luftfeuchtigkeit und Temperatur von Silicon Labs

Abbildung 2: Die Si701x/2x-Sensoren bieten hohe Genauigkeit und langfristige Stabilität mit geringer Drift, niedrigem Stromverbrauch und Hysterese.

Die zur Beatmungstherapie in medizinischen Anwendungen genutzten Module bieten in einem nur 3 x 3 mm großen DFN-Gehäuse einen Präzisionssensor für relative Luftfeuchtigkeit, einen Temperatursensor, einen Zweitzonen-Hilfssensoreingang, einen breiten Betriebsspannungsbereich und eine I²C-Hostschnittstelle. Er ist auf langfristige Stabilität ausgelegt und werkseitig kalibriert.

Doch beim medizinischen IoT geht es nicht nur um die Versorgung in Krankenhäusern und entfernten Einrichtungen. Auch im Fitness-Sektor, bei gesundheitsorientierten elektronischen Geräten und sogar im Bereich der Smart Watches geht es um Überwachung, das Senden von Feedback und in einigen Fällen auch um eine Verbindung zum medizinischen Fachpersonal. Ein praktischer Bestandteil eines als „Wearable“ umgesetzten Fitness-Monitors ist der von Silicon Labs stammende UV-Index- und Umgebungslichtsensor-IC Si1132 mit integrierter I²C-Schnittstelle.

Der integrierte UV-Indexsensor verfügt über ein digitales UV-Indexregister, das über die I²C-Schnittstelle gelesen werden kann, ist werkseitig kalibriert, um produktionsbedingte Schwankungen zu kompensieren, und enthält einen integrierten Umgebungslichtsensor mit einer Auflösung von 100 Millilux, was seinen Betrieb auch unter dunklem Glas ermöglicht. Zu den Anwendungsgebieten zählen Fitness, gesundheitsorientierte elektronische Geräte und Smart Watches.

Dieser Sensor-IC enthält außerdem einen Analog-Digital-Wandler, integrierte Fotodioden für den sichtbaren und Infrarot-Lichtbereich sowie einen Digitalsignalprozessor. Der Si1132 zeichnet sich durch exzellente Leistung in einem breiten Dynamikbereich aus und ist für die unterschiedlichsten Lichtquellen wie auch direktes Sonnenlicht geeignet. Die Si1132-Bausteine kommen in einem 10-poligen, 2 x 2 mm großen QFN-Gehäuse und sind mit einer Betriebsspannung zwischen 1,71 und 3,6 V in einem Temperaturbereich von –40 bis +85 °C einsetzbar.

Weil es bei der Überwachung von Senioren und Patienten ganz wichtig ist, Sturzereignisse zu erkennen, bildet ein Neigungsmesser das Herzstück dieser Sensoranwendung. Ein Beispiel ist der programmierbare 360°-Neigungsmesser ADIS16203 von Analog Devices (Abbildung 3).

Abbildung des 360°-Neigungsmessers ADIS16203 von Analog Devices

Abbildung 3: Es kommt Ihnen auf die Erkennung von Stürzen an? Dann ist ein Neigungsmesser wie der ADIS16203 von Analog Devices unentbehrlich.

Bei diesem Baustein, der bei Neigungsmessung, Bewegungserkennung, Positionsmessung, Überwachungs- und Alarmgeräten Anwendung findet, handelt es sich um ein Neigungswinkel-Messsystem in einem kompakten Einzelgehäuse. Er arbeitet mit der iSensor-Technologie von Analog Devices. Bei einer typischen iSensor-Integration braucht es zur Einbindung in ein System weiter nichts als eine Stromversorgung und eine serielle Schnittstelle. Durch die Kombination der iMEMS-Sensortechnologie des Herstellers mit eingebetteter Signalverarbeitung können über eine serielle Peripherieschnittstelle (SPI) digitale Neigungswinkeldaten in einem einfach zugänglichen Format geliefert werden. Durch diesen einfachen Zugriff auf kalibrierte digitale Sensordaten entsteht ein systembereites Modul, das Kosten, Programmierrisiken und Entwicklungsausgaben senkt.

Sensoren sind Bausteine, die physikalische, chemische und biologische Signale erkennen und eine Möglichkeit bieten, diese Signale zu Messen und aufzuzeichnen. In Anwendungen für das Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) in den Bereichen Gesundheitswesen und Fitness können Sensoren Temperaturen, Drücke, chemische und biologische Konzentrationen bei Benutzern und/oder Patienten überwachen. Damit werden Sensoren die Rolle von Krankenhäusern, ambulanten Pflegeeinrichtungen, Heimen und sogar der häuslichen Pflege grundlegend verändern. In diesem Artikel wurden einige Sensoren vorgestellt, die sich gut für IoT-Anwendungen in den Bereichen Medizin und Gesundheitswesen eignen. Weitere Informationen zu den hier beschriebenen Komponenten finden Sie über die bereitgestellten Links zu den Produktseiten auf der Digi-Key-Website.

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Carolyn Mathas

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