Wie die Heuschrecken: Medizinelektronik nach dem Vorbild von Insekten

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Als Beispiel für die Kombination von Stimulation und lokaler Therapie verweist Straszewski auf die Erforschung, ob durch Führungsröhrchen zum Platzieren der Elektroden, auch neurotrophe Faktoren oder andere Stoffe zur Unterstützung der Hirnfunktion direkt im Gehirn appliziert werden können. Elektronische Chips im Gehirn, die direkt mit den Nervenzellen interagieren und Informationen austauschen, hält sie dagegen für eine Vision der Zukunft.

Langzeitüberwachung der Herzfrequenz

Neben dem Hirn ist das Herz das zentrale Organ des menschlichen Körpers. Da ist es naheliegend, dass elektromedizinische Entwicklungen auf die Langzeitüberwachung der Herzfrequenz abzielen. Das ist gleichermaßen eine wesentliche Voraussetzung für Gesundheits- und Fitness-Wearables wie letztlich auch deren Existenzgrundlage. Denn durch die Verfolgung der Herzfrequenz über einen langen Zeitraum können Endanwender und medizinische Betreuer physiologische Muster analysieren und Gesundheitsbeeinträchtigungen entdecken, noch ehe sie zum Problem werden. Neue Biosensoren ergänzen Wearables daher um EKG-Messungen zur verbesserten Überwachung der Herzfrequenz.

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Glasverkapselung schützt Elektronik sicher vor aggressiven Medien – und umgekehrt

Biometrische Sensoren für Wearables

Dabei gilt es zwei Herausforderungen zu meistern: Genauigkeit und Energieverbrauch. Im US-amerikanischen Austin hat Silicon Labs unlängst genau hierfür eine Familie optischer biometrischer Sensoren vorgestellt, die für ein breites Spektrum von Wearables die erweiterte Herzfrequenzmessung (HRM, Heart Rate Monitoring) in Verbindung mit EKG-Möglichkeiten bieten. „Die Sensormodule Si117x vereinen einen extrem geringen Energiebedarf mit hoher Empfindlichkeit und einem außergewöhnlichen Integrationsgrad. Sie eignen sich daher ideal für Smart Watches sowie für Armbänder, Pflaster oder andere Wearables, die eine lange Batterielebensdauer und eine hohe Genauigkeit der Herzfrequenzmessung erfordern“, erklärt dazu der Anbieter. Mit einem Stromverbrauch von weniger als 50 µA für Sensor und LED bei kontinuierlichem HRM-Betrieb sind die Sensoren in der Tat an den Forderungen des Marktes nach Energieeffizienz ausgerichtet.

Durch die Kombination von EKG-Messungen mit optischen Herzfrequenzmessungen erlauben die Sensoren Entwicklern, neue biometrische Potenziale für Wearables zu erschließen. Die EKG-Kurve als Goldstandard für Herzmessungen kann kostengünstig und energieeffizient auf Wearables übertragen werden. Indem sie Messungen im gleichen Gerät und zu gleicher Zeit durchführen, können Entwickler mithilfe der Si117x-Sensoren Biometrien mit optischen Photoplethysmogramm-Messungen (PPG-) kombinieren und daraus wertvolle physiologische Parameter ableiten.

„Da der Markt für Gesundheits- und Fitness-Wearables ständig weiterwächst, wünschen Entwickler komplette biometrische Sensorlösungen, die ohne die Komplexität der Integration einwandfrei arbeiten“, erklärt Tom Pannell, Senior Marketing Director für IoT-Produkte bei Silicon Labs. Silicon Labs habe als einziger Anbieter eine vollständige HRM-Sensorlösung im eigenen Hause im Programm, vom Sensormodul und dem Algorithmus bis hin zu drahtlosen SoCs, die Messungen über Bluetooth LE übertragen können. Zur einfacheren Wearable-Entwicklung und schnelleren Markteinführung gibt es ein Entwicklungs-Kit mit Muster-Code und Beispielprojekten.

Tragbare Elektronik ist die Zukunft der Medizintechnik

In diesem Zusammenhang bilanziert Dr.-Ing. Marcin Meyer, Innovation Manager bei der Karl Otto Braun GmbH & Co. KG und Autor des VDE-Health-Expertenbeitrags „Tragbare Elektronik – Medizintechnik der Zukunft“: Tragbare Elektronik, besonders aber die Sensorik, kann als Medizin der Zukunft gesehen werden. Das Potential ist auf jeden Fall vorhanden!“ Es gelte aber, noch zahlreiche Herausforderungen zu meistern, um ein zertifiziertes, voll funktionierendes und vom Nutzer akzeptiertes sowie mit einer mobilen App verbundenes Gerät auf den Markt zu bringen. Kritisch seien unter anderem die Zuverlässigkeit, die Akzeptanz bei den Nutzern und die Zulassung derart hoch innovativer Produkte. Um den Komfort der Nutzer und die Akzeptanz zu erhöhen, fokussiert sich Meyer derzeit auf die Integration der Sensoren in den Standard von schon jahrelang bekannten medizinischen Textilien. Aber Meyer wünscht sich auch Verbesserungen bei der Energieversorgung.

CSEM und Iftest

Messbar hohes Potenzial – Wearables für den Markt der Medizintechnik

Energiespender für Wearables

Daran wird seitens vieler Anbieter gearbeitet. So ist beispielsweise die weithin bekannte Varta AG über ihre Tochtergesellschaften Varta Microbattery und Varta Storage in den Geschäftssegmenten Microbatteries und Energy Storage Solutions tätig. Die neueste Batteriegeneration wurde erst vor wenigen Tagen auf der Wearable Technologies Conference in München vorgestellt.

Die Coin-Power-Serie verfügt bei einem Durchmesser von 14,1 mm und 2,4 g Gewicht über die stolze Kapazität von 85 mAh. Damit erfüllt diese Mikrobatterie den Kundenwunsch nach mehr Kapazität bei geringerer Größe. „Ihre kompakte und stabile Bauweise in zylindrischer Form, gepaart mit einer hohen Energiedichte und extremer Leistungsfähigkeit, machen die Coin-Power-Zelle zu einer idealen Energiequelle für alle Wearables und Hearables. Schnellladefähigkeit, hohe Belastbarkeit und eine robuste Konstruktion runden das Profil der Serie ab“, verspricht kein geringerer als Herbert Schein, Vorstandsvorsitzender der Konzernmutter Varta, gute Möglichkeiten zur Integration der neuen Batterien in Wearables.

Piezoresistive Silizium-Drucksensoren

Um Integration geht es auch bei einem neuen Mikrodrucksensor von Honeywell, der die Funktionalität von medizinischen Geräten verbessern soll. Als nach Angaben des Anbieters kleinster Drucksensor auf dem Markt benötigt er nur minimalen Platz auf der Leiterplatte, unterstützt aber dennoch einen großen Druckbereich. Die piezoresistiven Silizium-Drucksensoren der Serie Micro Pressure bieten einen digitalen Ausgang für das Ablesen des Drucks über einen spezifizierten Endwert- und Temperaturbereich. Damit können sie beispielsweise in medizinischen Geräten wie Blutdruckmessgeräten und Luftansaugpumpen eingesetzt werden.

„Um die Leistung von Medizingeräten zu steigern, benötigen Entwicklungsingenieure eine kosteneffektive, anwendungsspezifische Drucksensorlösung mit konfigurierbaren Optionen“, erklärt Robert Robinson, Produktleiter für den Honeywell Geschäftsbereich Sensing and Internet of Things und verspricht: „Unsere extrem kleinen Sensoren verfügen über eine IoT-fähige Schnittstelle, mit der Kunden kompakte, tragbare und leichte Produkte auf den Markt bringen können.“ Der Sensor wird über einen speziellen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC) kalibriert und über einen bestimmten Temperaturbereich für Sensor-Offset, Empfindlichkeit, Temperatureffekte und Nichtlinearität kompensiert. Mit einer Größe von lediglich fünf mal fünf Millimetern ist der Micro-Pressure-Sensor wie geschaffen für Anwendungen, bei denen große Genauigkeit bei geringem Platzbedarf erforderlich ist.

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