Drahtlos vernetzt und portabel

Um präventionsorientierte Medizinprodukte einem Großteil der Bevölkerung für den Privatgebrauch zugänglich zu machen, müssen sie kosteneffizient und portabel sein. Letzteres setzt einen Batteriebetrieb voraus – und es liegt nahe, dass die Kommunikation dann auch drahtlos erfolgt. Die Geräte sollten zudem einfach zu handhaben sein. Der Schlüssel zum Erfolg liegt hier in der Entwicklung intelligenter Bedienschnittstellen, Sicherheits- und Schutzfunktionen und in einem automatisierten Betrieb. Der Halbleiterhersteller Freescale Semiconductor Inc mit Hauptsitz in Austin, Texas, ermöglicht dies: Mit Strom sparenden ARM Cortex-M4 und M0+-Prozessorkernen werden moderne Kinetis Mikrocontroller (MCUs) konzipiert. Die Leistungsdaten, mit denen solche Systeme aufwarten, reichen aus, um die oben angesprochenen Anforderungen umzusetzen.

Ein Blutzuckermessgerät, beispielsweise, arbeitet üblicherweise in fünf oder sechs Betriebsarten: Standby in der Tasche, aufwachen und auf einen auf den Teststreifen aufgebrachten Bluttropfen warten, die Messung der elektro-chemischen Reaktion, die Verarbeitung der Daten, das Auswerten der Ergebnisse und schließlich die Anzeige der Daten. Wollte man alle diese Schritte auf einer älteren Prozessortechnologie ausführen, so würde diese – abgesehen vom Standbybetrieb – während des ganzen Messzyklus mit maximaler Leistung arbeiten müssen – was die Batterie massiv belasten und daher den Anforderungen an einen Portabelbetrieb nicht genügen würde. Heute kommen die neuen Mikrocontroller-Bausteine, für die ein komplettes, Strom sparendes Datenverarbeitungssystem auf einem Chip integriert wurde, mit weniger als der Hälfte des Stromverbrauchs aus und können daher zwischen zwei Batteriewechseln oder Ladezyklen doppelt so lange arbeiten.

Eine integrierte Lösung bringt weitere Vorteile mit sich, da sich die Anzahl der Komponenten im System drastisch reduziert und die Interaktion zwischen den unterschiedlichen Funktionen klar dokumentiert ist. Dadurch wird ein hohes Maß an Sicherheit erreicht, und der Zertifizierungsprozess kann einfacher durchlaufen werden.

Für Medizintechnikhersteller bedeutet das Durchlaufen des Zertifizierungsverfahrens einen hohen Aufwand und sie müssen sicherstellen, dass eine für ein Produkt einmal ausgewählte, eingesetzte und zertifizierte Komponente während der Laufzeit des Produkts nicht abgekündigt wird. Freescale bietet seinen Medizintechnikkunden ein formelles Langlebigkeitsprogramm über 15 Jahre an, wodurch eine kostspielige, durch die Abkündigung eines Bauteils notwendige Neuzertifizierung des Produkts von vornherein verhindert wird.

Ein aktuelles Beispiel für die Möglichkeiten dieser modernen Technologien ist der Omnipod von Insulet, eine neue Insulinpumpe, die ohne Schläuche auskommt. Herkömmliche Pumpenkonzepte bestehen aus einer Insulinpumpe, einem Reservoir, einem Infusionsset und Schläuchen, über die die Pumpe mit dem Infusionsset verbunden wird. Das Konzept des Omnipod besteht aus nur zwei Elementen: dem so genannten Pod, welcher das Insulin liefert, und einem PDA-ähnlichen Gerät, dem Personal Diabetes Manager (PDM). Der Pod wird drei Tage lang getragen, dann entsorgt und durch einen neuen Pod ersetzt. Er beinhaltet 200 Einheiten schnell wirkenden Insulins, das die Anforderungen von nahezu 95 % der Typ-1-Diabetes-Patienten abdeckt.

Auf der Suche nach einem Halbleiterlieferanten für dieses Projekt wurde Insulet auf Freescale aufmerksam, das die passenden MCUs im Portfolio hatte, die größen- und kostenmäßig für die Einmal-Pods in Frage kamen und darüber hinaus die Funkkommunikation zwischen PDM und Pod unterstützten. In enger Zusammenarbeit wurde ein kundenspezifischer ASIC entwickelt. Das maßgeschneiderte Mikrocontroller-Design nimmt nur sehr wenig Strom auf und unterstützt die Kommunikation zwischen dem PDM und dem Pod mit einem integrierten 13,56 MHz Funkteil.

Die nächste Phase wird darin bestehen, Technologie für eine Kostensenkung im Gesundheitswesen einzusetzen, indem man von einem zentralen System zu einem dezentralen Ansatz übergeht, in dem die Menschen ihre Vitaldaten selbst messen. Um diese Problematik anzugehen, muss zunächst die Medizintechnik für Messdatenauswertung und die Behandlung vernetzt werden, damit die Daten den Arzt über sichere Datenbasen erreichen.

Der intelligente vernetzte Haushalt dient als Basis für dieses dezentrale System der Zukunft, von dem aus der Patient wichtige Gesundheitsdaten an seinen Arzt übermitteln kann und im Gegenzug Betreuung durch seinen Arzt oder ein intelligentes, auf Server-Hubs basiertes Dateninformationssystem erhält, das auch als ‚Cloud‘ bezeichnet wird. Darüber hinaus können in einem intelligenten Haushalt vernetzte Geräte und Telemedizinsysteme auf eine vorprogrammierte Art und Weise reagieren, falls beim Patienten gesundheitliche Probleme auftreten sollten. Deshalb sollten sie für die private Nutzung auf den Patienten und die von ihm benötigten Dienste zugeschnitten sein.

Adi Shieber, Yan Vainter Freescale Semiconductor, Austin, Texas