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38 05 2020 www medicaldesign news Medizin 4 0 IoT Vernetzte Herzüberwachungssysteme Eine zentrale Anforderung an das AFE ist dass es die charakteristische EKG-Wellenform des Patienten über den gesamten Signalweg bewahrt Dazu minimiert das AFE die Effekte von Rauschen und Ungenauigkeiten zum Beispiel Verstärkungsfehler Offsetfehler usw über den gesamten Signalweg unter allen Betriebsbedingungen ■ MCUs mit DSP-Engine Die nächste Stufe des Signalpfades ist ein Mikrocontroller MCU der die digitalisierten EKG-Daten nachbearbeitet und oder verwaltet Das tragbare Überwachungsgerät analysiert je nach Typ die vom Sensor erfassten EKG-Rohdaten entweder im laufenden Betrieb um die häufigsten Herzrhythmusstörungen zu erkennen und speichert diese dann im nichtflüchtigen Speicher des Systems Oder es legt die Daten am Ende der Lebensdauer im Speicher ab sodass sie sich offline analysieren lassen Der erstgenannte Ansatz findet sich in der neueren Generation von tragbaren Einweg-EKGs Sie benötigen leistungsstärkere MCUs mit einer DSP-Engine DSP = digitaler Signalprozessor und einem höheren Code-Datenspeicher um mehrere gängige Herzrhythmusstörungen direkt exakt zu erkennen und zusätzlich größere Mengen an Rohdaten für die weitere Verarbeitung zu speichern Weitere Anforderungen sind eine Elektronik mit kleineren Abmessungen Präzisions-AFEs und geringerer Leistungsaufnahme Der zusätzliche Speicher und die höhere MCU-Leistung sind mit Herausforderungen in Bezug auf die Energieeffizienz und die Chipgröße verbunden Hier bietet der Einsatz von Prozessknoten mit niedrigem Strombedarf und kleiner Zellgeometrie sowie die Integration von Energiemanagementfunktionen Abhilfe und ermöglicht effizientes Energiemanagement auf Systemebene Die System-MCU muss ein gutes Verhältnis zwischen niedrigem Verbrauch und Betriebsfrequenz besser als 50 µA MHz aufweisen und verschiedene Betriebsmodi mit skalierbarer Frequenz bieten um ein flexibles Energiemanagement auf Systemebene zu ermöglichen Ein verbreitetes Verfahren ist das zyklische Einund Ausschalten der MCU entsprechend eines Profils das auf kundenspezifischen proprietären Nutzungsmodellen des Systems beruht Da das Funkmodul und die MCU den Großteil des Strom im System verbrauchen sollten sie so wenig wie möglich genutzt werden Um die Leistungsaufnahme während des Arbeitszyklus zu begrenzen muss die MCU im Standby-Betriebsmodus eine Stromaufnahme im Sub-Mikroampere-Bereich aufweisen und innerhalb von kürzester Zeit nicht mehr als einige Mikrosekunden vom Standby-Modus in den normalen Betriebsmodus wechseln können um die Schaltleistungsverluste zu minimieren Die neueren AFEs müssen kontinuierlich mit einer geringeren Leistungsaufnahme typischerweise unter 100 µW arbeiten und zusätzlich zum analogen Signalpfad dedizierte digitale Signalverarbeitungsschaltungen mit geringem Strombedarf enthalten Dies verringert den Umfang der Signalverarbeitung durch die MCU Im Allgemeinen tragen Funktionen wie verbesserte Diagnostik Überwachung von Vitalparametern und zusätzliche Signalmessung zur Komplexität des AFEs bei ■ Konnektivität mit sehr niedriger Stromaufnahme Eine beliebige drahtlose Verbindung mit geringem Strombedarf bildet die letzte Stufe des Signalpfades im EKG-Sensorknoten Sie ermöglicht eine Kommunikation mit den Gateways wie etwa Smartphones oder kundenspezifische Sensor-Hubs Die Datenübertragung an die Cloud-Plattform und Gesundheitszentren kann EKG-Rohdaten mögliche Arrhythmieoder normale Herzrhythmusinformationen sowie einige andere während des Betriebs gemessene Systemparameter umfassen Derzeit ist Bluetooth Low Energy BLE eine der am häufigsten verwendeten drahtlosen Schnittstellen NB-IoTund CAT-M-Schnittstellen werden für den künftigen Einsatz bereits evaluiert Der Trend zu kleineren Formfaktoren kostengünstigeren und wesentlich langlebigeren Einweg-EKG-Patches führt zu einem höheren Integrationsgrad im Ultra-Low-Power-Signalpfad miniaturisierter SoCs Systemon-Chip oder SiPs Systemin-Package Herausforderungen bei der Miniaturisierung der Elektronik sind die Notwendigkeit eines kostengünstigen Halbleiterprozessknotens der sich für präzise Mixed-Signal-Schaltungen analog und digital mit geringem Strombedarf eignet sowie die Verfügbarkeit einer kostengünstigeren Gehäusetechnologie mit geringem Platzbedarf Der sehr niedrige Stromverbrauch ist eine der wichtigsten Anforderungen an EKG-Pflaster Damit lässt sich die Lebensdauer einer kontinuierlichen Herzsignalüberwachung -analyse über die derzeitige Dauer von ein bis zwei Wochen hinaus deutlich verlängern Dank des geringeren Stromverbrauchs lässt sich auch eine zusätzliche Überwachung der Vitalparameter integrieren was den Herstellern Wettbewerbsvorteile verschafft Typischer IoMTvernetzter Sensorknoten für das Herzmonitoring und der zugehörige Signalweg