Der Schuh ist ein interessanter Ort, um telemedizinisch nutzbare Technik am Körper des Patienten unterzubringen. Selbst die erforderliche Energie lässt sich hier gewinnen, wie ein jüngst entwickelter Prototyp zeigt.
Die deutsche Bevölkerung – und nicht nur diese – altert, während zugleich die Zahl der Einwohner insgesamt sinkt. Das wird die Pflegesituation verändern, ist heute schon zu spüren und wird in rund 50 Jahren gravierende Auswirkungen haben. Intelligente und vor allem energieautarke Überwachungssysteme sollen helfen, durch telemedizinische Anwendungen die anstehenden Herausforderungen zu bewältigen.
In einem Verbundprojekt wird beispielsweise ein System entwickelt, das im Schuh untergebacht werden kann und die Einlegesohle zum medizinischen Wearable macht. Es nutzt drahtlose tragbare Mikrosensoren und Aktuatoren, die mit einem integrierten Energy-Harvesting-Systems autark arbeiten können und Signale per Funk übertragen.
Diese Entwicklung erfolgt im Verbundprojekt „Mime – Energieautarke drahtlose Mikrosysteme für telemedizinische Anwendungen“. Hier arbeiten Fachleute der Hochschule für Technik und Wirtschaft (HTW) Berlin und der in Berlin ansässigen Beuth-Hochschule für Technik sowie des Fraunhofer Instituts für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM) zusammen. Als Industriepartner beteiligen sich unter anderem die Funk-Experten der Eldat GmbH aus Königs Wusterhausen.
Die im Projekt entwickelten Lösungen sollen weltweit einsetzbar sein. Denkbare Anwendungen in der telemedizinischen Patientenüberwachung reichen vom Messen von Vitalparametern eines Patienten bis hin zum automatischen Absetzen eines Notrufs in einer kritischen Situation.
Der erste Demonstrator zeigt, dass sich über Technik in der Schuhsohle die körperliche Aktivität des Nutzers erfassen lässt. Per Analyse der Messdaten soll das Sensorsystem darüber hinaus selbstständig einen Sturz registrieren und Hilfe anfordern.
Die zum Betrieb benötigte Energie wird durch Energy Harvesting aus der Körper- und Umgebungsenergie gewonnen und in einer eigens entwickelten Mikrobatterie zwischengespeichert. Diese versorgt einen Mikrocontroller, der die Sensoren am Körper ausliest und die Vitaldaten des Anwenders drahtlos verschickt.
Bei der Entwicklung haben die Wissenschaftler mehrere Systeme untersucht und die Energiegewinnung am Körper sowie den Einsatz von Low-Power-Elektronik berücksichtigt. Weitere Aspekte waren die Funkreichweite, die Energiespeicherung und die Sensorik sowie die Systemintegration. Die Gruppe um Prof. Ha Duong Ngo erstellte an der HTW Berlin mehrere Konzepte und verglich sie anhand der berechneten Energiebilanz.
Es zeigte sich, dass die Version der Schuheinlage genug Platz und die Möglichkeit bietet, die Schrittenergie zum Energy Harvesting zu nutzen. Zugleich lässt sich die Technik dadurch unkompliziert und unsichtbar am Körper anbringen. Darüber hinaus soll ein weiteres Konzept umgesetzt werden, das Biosignale über ein mit Solarzellen betriebenes Sensorarmband misst.
Die Grundlagen für eine anpassungsfähige Low-Power-Schaltungstechnik wurden im Fachbereich Embedded Systems der Beuth-Hochschule in der Gruppe von Prof. Peter Gregorius entwickelt, um das Übertragen der Signale mittels der Funklösungen von Eldat zu ermöglichen. Als Energiespeicher wird darüber hinaus am Fraunhofer IZM unter Leitung von Dr. Robert Hahn eine neuartige Mikrobatterie entwickelt – Basis ist ein miniaturisierter Lithium-Titanat-Akku. Gleichzeitig werden innovative Mikrogeneratoren, wie kapazitive Energy Harvester mit flexibler Elektrode, getestet. Diese lassen sich bezüglich Krafteintrag, Frequenz, Beschleunigung und Bewegungsablauf sehr gut an Gegebenheiten anpassen, die für am Körper tragbare Elektronik berücksichtigt werden müssen. Das drahtlose Sensornetzwerk im ersten Demonstrator besteht aus einem Lage-, Beschleunigungs-, Temperatur- und Drucksensor und wird über einen Mikrocontroller RFD22301 von RFduino gesteuert. Integriert ist ein Bluetooth-4.0-Low-Energy-Modul auf einer flexiblen Leiterplatte.
Für die smarte Schuheinlage wurde das System in biokompatiblem Silikon verkapselt und zunächst über eine Knopfzelle betrieben. Es erfasst die Temperatur und Schrittzahl des Anwenders in definierten Zeitabständen und übertragt die Werte. Durch entsprechende Programmierung des Mikrocontrollers soll anhand von Grenzwertüberschreitungen der Beschleunigungswerte und durch anschließende Abfrage der Lageposition eine Sturzdetektion über die Einlegesohle validiert werden.
Für einen energieautarken Betrieb wurde das Sensorsystem mit einer Piezokeramik-Sohle der Dresdener Smart Material GmbH als Energy Harvester kombiniert. Die aus der Bewegung gewonnene Energie wird in Kondensatoren gespeichert. Simulationen haben gezeigt, dass durchschnittlich zehn Schritte genügen, um die Kondensatoren ausreichend zu laden.
Um kontinuierliches Messen und das Übertragen von Vitaldaten ohne laufendes Energy Harvesting zu ermöglichen, wird zukünftig als Energiespeicher die flexible und wieder aufladbare Mikrobatterie des Fraunhofer IZM mit intelligentem Leistungsmanagement implementiert. Ebenso sollen unterschiedliche Energy-Harvesting-Systeme charakterisiert und eingesetzt werden.
Geplant ist, die Elektronik langfristig nicht in Silikon zu verkapseln, sondern diese per Sandwichbauweise in ergonomisch und dreidimensional geformte Einlegesohlen für erste Feldversuche zu integrieren. Weitere geplante Kooperationen sehen eine hochauflösende Drucksensorschuheinlage für das Messen des Druckverteilung in der Rehabilitation, Diabetes- und Rheumatherapie sowie eine energieautarke, heizende Schuheinlage vor.
- Moritz Hubl Hochschule für Technik und Wirtschaft (HTW) Berlin
- Weitere Informationen Auf der Konferenz Smart Systems Integration in München wird das System in der Session „Smart Medtech Systems“ am 10.03.2016 vorgestellt. Mehr über das Programm der Konferenz, die am 09.03. und 10.03. stattfindet: www.smartsystemsintegration.de
Unterschiedliche Systeme für das Energy Harvesting werden charakterisiert
Ihr Stichwort
- Smart Sensor Systeme
- Energy Harvesting
- Telemedizinische Lösung in die Schuheinlage integriert
- Medizinische sowie Life-Style- Anwendungen sind möglich
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