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www medicaldesign news 05 2020 37 Vernetzte Herzüberwachungssysteme Medizin 4 0 IoT Bilder Renesas Neue Möglichkeiten in der Kardiologie Die Herzgesundheit ist einer der wichtigsten Parameter für den allgemeinen Gesundheitszustand eines Menschen Das Internet der medizinischen Dinge Internet of Medical Things IoMT ermöglicht eine neue Generation tragbarer kontinuierlicher Herzüberwachungssysteme mit verschiedenen Parametern zur Verbesserung des Gesundheitsmanagements in Krankenhäusern und bei der Patientenversorgung im häuslichen Umfeld Das IoMT ist eine vernetzte Infrastruktur für medizinische Geräte und Dienste Es sammelt und analysiert Daten die an Gesundheitsdienstleister gesendet werden Heute enthalten diese Geräte Sensoren die Temperatur Feuchtigkeit und Vibration messen sowie Algorithmen die eine bestimmte Anzahl von Herzerkrankungen erkennen Designs der nächsten Generation versuchen Parameter hinzuzufügen die mithilfe von Algorithmen ein breiteres Spektrum an Herzrhythmusstörungen identifizieren können Beispielsweise lassen sich sogenannte Einweg-Patches in Form eines unsichtbaren Pflasters mit wenigen sehr kleinen ICs die die Herzgesundheit überwachen und steuern für längere Zeit bequem auf der Haut tragen Vernetzte Herzüberwachungssysteme bestehen aus drei Hauptelementen Tragbare r drahtlose r Sensorknoten Datenmanagementservice und cloudbasierte Analyseplattformen Der Sensorknoten zum Beispiel ein EKG-Pflaster oder leitfähige Kleidung zur Überwachung der Herzfrequenz und ein Datenmanagementservice sammeln die Herzdaten aus dem Gerät in einem Datenzentrum Der Sensorknoten besteht in der Regel aus einem einoder dreikanaligen EKG-Überwachungsgerät mit bis zu drei Elektroden feucht oder trocken die an der Elektronik des Pflasters befestigt sind Die cloudbasierte Plattform sammelt und analysiert die Herzdaten mithilfe von Algorithmen und Künstlicher Intelligenz KI um potenzielle anormale Herzfunktionen zu erkennen Die Ergebnisse sind dann in der Patientenakte verfügbar und der verantwortliche Kardiologe oder die zuständige Gesundheitsorganisation können diese einsehen ■ Analoges Frontend minimiert Rauschen Der EKG-Signalaufbereitungspfad umfasst die Analogstufe zur Erfassung Verstärkung und Bereinigung analoger Wellenformen Die Amplitude des EKG-Signals reicht von einigen 100 µV bis etwa 5 mV Das Signal enthält niederfrequentes 50 60 Hz von Wechselstromleitungen eingekoppeltes Rauschen sowie hochfrequentes Rauschen von der Muskulatur und oft auch HF-Rauschen von verschiedenen Geräten in der Nähe der Anwendung Bei Wearables würde die Baseline des EKG-Signals aufgrund von Bewegungsartefakten unerwünschte Schwankungen aufweisen Zur Bereinigung und Digitalisierung von EKG-Signalen nutzt man daher häufig komplexe analoge Frontends AFE Das AFE besteht dabei aus folgenden Elementen ■ EMI-Filter zum Entfernen von HFRauschen ■ Hochpassfilter mit einer typischen 0 5-Hz-Eckfrequenz zum Entfernen der Baseline-Schwankung ■ Tiefpassfilter mit einer typischen 150-Hz-Eckfrequenz zum Filtern von Outof-Band-Signalen ■ Notch-Filter zum Filtern von 50 60-HzRauschen ■ Rauscharme programmierbare Instrumentenverstärker zur Signalverstärkung ■ Analog-Digital-Wandler zum Digitalisieren des Signals für die Nachbearbeitung der abgetasteten Daten Vernetzte Herzüberwachungssysteme für das IoMT erfordern hochkomplexe analoge Frontends leistungsstarke MCUs und drahtlose Verbindungen mit geringem Stromverbrauch in Verbindung mit komplexen Algorithmen und KI-Engines Mit der zunehmenden Vernetzung verlagert sich die traditionelle reaktive Gesundheitsfürsorge zu einem erschwinglicheren Präventivsystem Insbesondere bei Herzüberwachungssystemen ergeben sich so neue Chancen für Hersteller Mediziner und Patienten Bahram Mirshab Senior Staff Systems Engineer bei Renesas