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Medizinische Wearables schneller mit einer Sensor-Plattform entwickeln

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Mit einem Referenzdesign lassen sich Blutsauerstoff, EKG, Herzfrequenz, Körpertemperatur und Aktivitätsdaten erfassen. Es ist speziell zum Tragen am Handgelenk konzipiert.

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Mit der Sensorik-Plattform lassen sich tragbare Geräte entwickeln, um bestimmte Parameter wie Blutsauerstoff, EKG, Herzfrequenz, Körpertemperatur oder Aktivitätsdaten zu messen.
Mit der Sensorik-Plattform lassen sich tragbare Geräte entwickeln, um bestimmte Parameter wie Blutsauerstoff, EKG, Herzfrequenz, Körpertemperatur oder Aktivitätsdaten zu messen.
(Bild: Maxim Integrated)

Hersteller von Wearables sollen Entwicklungszeit von mindestens sechs Monaten einsparen können. Das behauptet Maxim Integrated, die ihre Health-Sensor-Plattform 3.0 (HSP 3.0) vorgestellt haben. Das Referenzdesign mit der Bezeichnung MAXREFDES104# soll sich am Handgelenk tragen lassen und Blutsauerstoffsättigung (SPO2), Elektrokardiogramm (EKG), Herzfrequenz (HF), Körpertemperatur und Bewegung überwachen.

Die enthaltenen Algorithmen liefern Informationen zu HF, Herzfrequenzvariabilität (HRV), Atemfrequenz (RR), SPO2, Körpertemperatur, Schlafqualität und Stresslevel auf klinischem Niveau. Entwickler von Wearable-Applikationen sind mit dem Referenzdesign, direkt mit der Datenerfassung zu beginnen. Damit sparen sie sich mindestens sechs Monate Entwicklungszeit, die für eine Neuentwicklung derartiger Geräte sonst notwendig wäre. Die HSP 3.0 wurde in erster Linie für solche Anwendungen entwickelt, um Messdaten am Handgelenk aufzunehmen, möglich sind allerdings auch Trockenelektroden-Anwendungen wie Brustpflaster oder intelligente Ringe.

Herz- und Atemwegsprobleme überwachen

Der Vergleich zum Vorgängermodell, der Health-Sensor-Plattform 2.0 (HSP 2.0), bietet die HSP 3.0 zusätzlich optische SPO2-Messung und Trockenelektrodenfunktionen für das EKG. Somit lassen sich Herz- und Atemwegsprobleme überwachen und chronisch obstruktive Lungenerkrankung (COPD) behandeln: Von Infektionskrankheiten (COVID-19) bis zu Schlafapnoe und Vorhofflimmern (AFib).

Im Vergleich zu ihrer Vorgängerin verfügt die HSP 3.0 über einen schmaleren Formfaktor und eine weiterentwickelte optische Architektur, wodurch eine höhere Qualität der Signalerfassung erreicht wird, und verwendet verbesserte Mikrocontroller-, Leistungs-, Sicherheits- und Sensor-ICs. Das Referenzdesign umfasst komplette optische und Elektroden-Designs sowie Algorithmen, um klinische Anforderungen zu erfüllen.

Die einzelnen Bestandteile der Sensor-Plattform

In der Sensor-Plattform enthalten ist MAX86176: Optisches Photoplethysmographie (PPG)-Analog-Front-End (AFE) und elektrisches EKG-AFE mit geringem Rauschen. Das AFE bietet ein Signal-Rausch-Verhältnis von 110 dB. Damit erhöht sich die Empfindlichkeit, um die SPO2-Sättigung zu messen. Das Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (CMRR) liegt bei über 110 dB für EKG-Anwendungen mit trockenen Elektroden. Der Baustein misst synchron PPG und EKG, sogar mit unabhängigen Abtastraten, für die Ermittlung der Pulslaufzeit für kardiologische Anwendungsfälle.

MAX20360: Hochintegrierter Power- und Batteriemanagement-IC (PMIC). Er umfasst die ModelGauge m5 EZ-Füllstandsanzeige von Maxim, einen haptischen Treiber und einen rauscharmen Buck-Boost-Wandler, der das SNR maximiert und die Leistungsaufnahme für die optische Biosensorik minimiert.

Der Bluetooth (BLE)-fähige Mikrocontroller MAX32666 bietet eine niedrige Leistungsaufnahme, zwei ARM Cortex-M4F-Kerne und einem zusätzlichen SmartDMA. Letzterer ermöglicht den BLE-Stack unabhängig zu betreiben, wodurch die beiden Hauptkerne für wichtige Aufgaben verfügbar bleiben. Darüber hinaus integriert der Mikrocontroller eine komplette Sicherheitssuite und einen Fehlerkorrekturcode (Error Correcting Code; ECC) auf den Speichern, um die Sicherheit und Robustheit des Systems deutlich zu erhöhen.

Der Mikrocontroller MAX32670 mit niedriger Leistungsaufnahme sowie PPG-Algorithmen von Maxim Integrated misst Pulsfrequenz, SPO2, HRV, Atemfrequenz und überwacht die Schlafqualität sowie den Stressfaktor. Er unterstützt als Sensor-Hub Firmware und Algorithmen oder als Algorithmus-Hub mehrere Algorithmen. Außerdem ermöglicht der Mikrocontroller eine übergangslose Sensorfunktionalität, einschließlich der Verwaltung des MAX86176 PPG- und EKG-Sensor-AFE sowie der Lieferung von Rohdaten oder der berechneten Daten an die Außenwelt.

Schließlich der digitale Temperatursensor MAX30208 mit geringer Leistungsaufnahme. Verbaut ist der Sensor in einem Gehäuse von 2 mm x 2 mm. Er erfasst die Temperatur auf der Oberseite des Gehäuses und kann auf ein flexibles Kabel oder eine Leiterplatte montiert werden, wodurch das Einpassen in ein Wearable erleichtert wird. Mit einer Genauigkeit von 0,1 °C erfüllt der digitale Temperatursensor die klinischen Temperaturanforderungen.

Weitere Details zur Sensor-Plattform (externer Link)

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