Für tragbare Medizintechnik ist vor allem der Stromverbrauch ein wichtiger Aspekt. Energiesparende SoCs begünstigen ein effizientes Power-Management.

Bild: iStock, IR Stone

Medizin-Wearables Weniger Strom, mehr Gesundheit

11.02.2019

Intelligente tragbare Lösungen für mobile Gesundheitsanwendungen (mHealth) bieten aufregende neue Möglichkeiten in der Medizin. Durch die Überwachung der Vitalparameter und die Weiterleitung der erfassten Daten an die betreuenden Ärzte lassen sich Patienten besser betreuen. Eine entscheidende Voraussetzung für tragbarer Medizingeräte ist ein stromsparender Betrieb. Hilfreich dafür sind SoCs mit geringem Energieverbrauch.

Die Welt der Medizintechnik verändert sich: Menschen leben im Allgemeinen länger, also wird die Bevölkerung älter. Da im hohen Lebensalter chronische Erkrankungen wie Herzkrankheiten, Diabetes und Asthma zunehmen, erfordert dies in der Regel eine laufende Überwachung und Ausarbeitung von Behandlungsplänen. Dadurch und durch den wachsenden Stellenwert von Gesundheit gerät das Budget im Gesundheitswesen unter Druck. Reformen in der Krankenversicherung sollen diese Kosten senken. Ein Ansatz für das Kostenmanagement und mehr Komfort für Patienten ist die Umstellung auf ein ambulantes Modell, das einen erheblichen Teil der häuslichen Pflege umfasst.

Mediziner müssen jedoch Daten von diesen entfernt gelegenen Patienten sammeln, um die Gesundheitsfürsorge optimieren zu können. Außerdem möchten auch Verbraucher, die sich gesund fühlen, ihre Vitalparameter messen, Fitnessprogramme verfolgen und Anzeichen gesundheitlicher Probleme frühzeitig erkennen. Daher steigt die Nachfrage nach kleinen tragbaren medizinischen Geräten, auch mHealth-Geräte genannt, für den professionellen und den Consumer-Bereich. Ein Bericht des Marktforschungsunternehmens „Markets and Markets“ geht davon aus, dass der Markt für diese Geräte ein durchschnittliches jährliches Wachstum von 27,5 Prozent verzeichnen wird. Bis 2021 soll sich dadurch das Marktvolumen auf 9,35 Milliarden US-Dollar erhöhen.

Mediziner zögern bei neuen Systemen

Neue Anwendungen finden sich im medizinisch-professionellen und medizinischen Consumer-Bereich zuhauf. Dazu gehören Pulsoximeter und EKG-Geräte mit einer einzigen Elektrode, die gängige medizinische Consumer-Geräte, etwa Blutdruck-, Herzfrequenz-, Blutzuckermessgeräte, Thermometer und Waagen ergänzen. Im professionellen beziehungsweise Klink-Bereich finden sich immer mehr tragbare EKG-Geräte, Patientenmonitore für mehrere Parameter und andere Formen der mobilen Patientenüberwachung.

Im Gegensatz zu einigen völlig neuen Märkten umfasst ein erheblicher Teil des mHealth-Marktes den Übergang bestehender Systeme zu mobilen, vernetzten Systemen. Hersteller medizintechnischer Produkte sind jedoch oft zögerlich, ein perfekt funktionierendes bestehendes System durch ein brandneues vernetztes System zu ersetzen. Vorhandene Systeme werden daher häufig mit einer drahtlosen Funkanbindung erweitert.

Verbraucher und Patienten erwarten von mHealth-Geräten ein hohes Maß an Komfort und Benutzerfreundlichkeit. Einerseits sollen die Geräte einen hohen Funktionsumfang bei hoher Genauigkeit und intuitiver, benutzerfreundlicher Bedienung aufweisen, was sich oft nachteilig auf Größe, Gewicht und Batterieverbrauch auswirkt. Andererseits verlangt der Markt bequeme, tragbare Geräte, deren Akku selten aufgeladen werden muss. Das alles macht die Aufgabe des Entwicklers schwieriger.

Geringer Stromverbrauch

Die Wahl der richtigen Halbleiterplattform für jedes mHealth-Wearable ist der wichtigste Teil des Projekts und entscheidend für den Erfolg des endgültigen Designs. Es gibt zahlreiche entsprechende Plattformen. Um eine Auswahl zu treffen, wägen Entwickler eine Vielzahl an Kriterien ab, um die Eignung für die Anwendung zu bewerten. Der Stromverbrauch ist entscheidend für eine längere Batterielebensdauer, und die Abmessungen sollten klein sein, um einfach tragbare Wearables entwickeln zu können.

Im Internet der Dinge geht es vor allem um die Kommunikation zwischen Geräten. Die gewählte Lösung muss daher ein Kommunikationsprotokoll enthalten, das häufig verwendet wird, um verschiedene Verbindungsoptionen zu ermöglichen. Aufgrund der Verfügbarkeit auf jedem Smartphone und seiner Energieeffizienz ist Bluetooth Low Energy (BLE) als Funkprotokoll der Wahl für viele Geräte allgegenwärtig geworden. Neben der Kompatibilität zu bestehenden Kommunikationsinfrastrukturen sind die Reichweite und der Datendurchsatz ebenfalls wichtige Faktoren.

SoCs für mHealth

Angesichts der Geschwindigkeit, mit der sich Anwendungen entwickeln und neue Technologien entstehen, müssen Entwickler auf Zukunftssicherheit hinarbeiten. Die Möglichkeit, Betriebssysteme und Anwendungen aus der Ferne zu aktualisieren, ist entscheidend. Da auch die Markteinführungen immer schneller erfolgen, müssen Entwickler neben der Halbleiterplattform auch auf das Support-Angebot des Herstellers achten.

Eine der neuesten Funklösungen für mHealth ist der Funk-SoC RSL10 von ON Semiconductor. Er bietet im Deep-Sleep- und Empfangsmodus den branchenweit niedrigsten Stromverbrauch. Der RSL10 wurde kürzlich über ULPMark von EEMBC als der effizienteste Prozessor-Core der Branche bewertet. Die Core-Profile-Ergebnisse erwiesen sich dabei mehr als doppelt so hoch wie beim vorherigen Branchenführer. Der RSL10 basiert auf einer Dual-Core-Architektur und enthält einen leistungsfähigen ArmCortex-M3-Prozessor mit 48 MHz und 32 Bit sowie einen 32-Bit-DSP auf nur 5,5 mm2 Fläche. Damit lassen sich Daten von Sensoren vor Ort sammeln und verarbeiten. Die zugehörige Basisband-Hardware ist für Bluetooth 5 zertifiziert und unterstützt Funkverbindungen mit Geschwindigkeiten von bis zu 2 Mbit/s, was dem doppelten Datendurchsatz früherer Bausteine entspricht.

Neben dem Cortex-M3-Core besitzt der SoC auch 76 KB SRAM-Programm-, 88 KB SRAM-Daten- und 384 KB Flash-Speicher für den BLE-Stack und Anwendungen. Durch die flexible Architektur kann der Arm-Cortex-M3-Prozessor Befehle über das SRAM und den Flash-Speicher ausführen.

Power effizient managen

Da der Stromverbrauch in mHealth-Anwendungen entscheidend ist, verfügt der SoC über ein fortschrittliches Power-Management. Es ermöglicht den Betrieb mit einer Spannung zwischen 1,1 und 3,3 V und ist somit ideal für Standard-Knopfzellen. In IoT-mHealth-Anwendungen muss der Baustein nur wenige Millisekunden lang senden. Sein Standby-Modus verringert den durchschnittlichen Stromverbrauch auf 30 μA. Sind keine Übertragungen erforderlich, wechselt der RSL10 in verschiedene Deep-Sleep-Modi, die den Stromverbrauch auf bis zu 25 nA reduzieren.

Angesichts der sich verändernden Demografie, des gestiegenen Interesses an der persönlichen Gesundheitsfürsorge und dem Trend zu flexibler Telemedizin wächst der mHealth-Markt. Getrieben wird er sehr stark durch innovative Halbleiterlösungen und Kommunikationsmöglichkeiten. Wie in vielen neuen Märkten üblich, stehen Entwickler vor der Herausforderung, Lösungen in ältere Plattformen zu integrieren und gleichzeitig die sehr anspruchsvollen Erwartungen der mHealth-Nutzer zu erfüllen. Ein entscheidender Faktor für mHealth-Geräte ist dabei ein geringer Stromverbrauch. Erreicht werden kann dieser unter anderem über SoC-Baustein, die nur eine geringe Menge an Energie benötigen. Sie stellen Entwicklern genau die Plattform zur Verfügung, um diese Herausforderungen zu meistern.

Bildergalerie

  • Der RSL10 ist ein hochintegrierter, voll ausgestatteter Funk-SoC für tragbare Medizingeräte.

    Bild: ON Semiconductor

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