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2-2014

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Fachzeitschrift für Medizintechnik-Produktion, Entwicklung, Distribution und Qualitätsmanagement

Aus Forschung und

Aus Forschung und Technik Drahtlose Transceiver-Technologie für medizinische Geräte Spezifikation, konform mit IEEE 802.15.6, dem internationalen Standard flur BANs sowie Unterstützung für zwei unabhängige Betriebsarten. nämlich einen 4,5-Mbps-High-speed-Mode, um Hirnwellen, Bilder und andere medizinische Daten zu senden, sowie einen 1,7 kbps Low-Speed/ Lowpower-Mode für Betrieb mit geringer Leistung, wenn sich die Sensorknoten im StandbyModus befinden. Bild 2 betrifft zwei wesentliche Merkmale der neuen Transceiver- Technologie: 1. Digitale Empfängersteuerung Bild 1: Schematische Ansicht eines BAN-Systems Fujitsu Laboratories, Kawasaki, und imec Holst Centre, Eindhoven, entwickelten gemeinsam eine funkbasierte Transceiver-Technologie für die Medizintechnik. Diese im Einklang mit dem internationalen Standard für das 400-MHz-Band stehende Lösung benötigt nur 1/10 der Versorgungsleistung bislang bekannter Modelle und erleichtert dadurch auch die Belastung von Patienten, die Sensoren tragen müssen. Die drahtlose Transceiver-Applikation zum Einsatz in Body Area Networks (BANs) entspricht den heutigen hohen Erwartungen an medizinische Anwendungen, wie dem drahtlosen Aufnehmen von Hirnwellen oder anderen Signalen des menschlichen Organismus´. Für diese Ziele wurden in der Vergangenheit elektrische Leistungen von einigen Dutzend Milliwatt benötigt. Hintergrund und Ergebnis Im Gesundheits- und Medizinbereich haben BANs eine hohe Bedeutung, weil hier Patientendaten systematisch gesammelt, angezeigt und ausgewertet werden müssen. Ein drahtloses Netzwerk mit Sensoren direkt am Körper des Patienten (Bild 1) ist dabei Standard. Die diversen Sensoren und ihre Verkopplungen (Nodes) in Form der BAN-Grundstruktur benötigen eine gewisse Versorgungsleistung aus einer Batterie. Um das System so zweckmäßig wie möglich für Patienten und medizinisches Personal zu gestalten, werden hohe Batterielaufzeiten angestrebt. Durch Optimierung der Grundarchitektur und Verfeinerung der Schaltungstechnik ist es den beiden Partnern in Japan und Holland nun gelungen, den Leistungsanspruch des drahtlosen Transceiver-Frontends auf 1,6 mW bei Datenempfang und auf nur 1,8 mW beim Senden von Daten zu minimieren. Diese Technologie erlaubt ungefähr eine zehnfach höhere Batterielebensdauer als bisher beim Patienten-Monitoring üblich. Es ist nun aber auch möglich, kleinere und leichtere Batterien zu verwenden und damit dennoch längere Nutzungszeiten als bisher zu erzielen. In jedem Fall muss weniger oft ausgetauscht werden. Die neue drahtlose Lösung soll sich nach Plänen von Fujitsu Laboratories auch für nichtmedizinische Zwecke nutzen lassen. Details dieser Technologie gab man auf der IEEE International Solid-State Circuits Conference 2014 (ISSCC 2014) im Februar bekannt. Die neue Technologie Diejenige Komponente im Sensor Node, welche mit abstand die höchste Versorgungsleistung benötigt, ist die drahtlose Transceiver- Schaltung. Einsparanstrengungen müssen daher hier ansetzen. Dies ist durch Entwicklung eines neuen, kompakten Low-Power Transceivers gelungen, der seine Medizingeräte-Umgebung durch verschiedene Übertragungsraten optimal unterstützt, ohne dass dazu weitere Schaltungen (Treiber, Interfaces etc.) erforderlich wären. Dieses Forschungsprojekt vereinbarte eine drahtlose 400-MHz- Die Architektur der Transceiver-Schaltung wurde mit dem Ziel der Senkung des Leistungsverbrauchs soweit als möglich vereinfacht. Der digital gesteuerte Transceiver nutzt eine programmierbare Struktur, um seine charakteristischen Eigenschaften zu verändern. Somit ist es möglich, verschiedene Phasen- und Frequenzmodulationen in Übereinstimmung zum internationalen BAN- Standards optimal zu unterstützen. Der Empfänger besteht aus Low-Noise Amplifier, Mixer, Tiefpassfilter und A/D-Converter, es liegt also eine Direct-Conversion- Technik vor. Das Basisbandsignal wird direct aus dem Empfangssignal gewonnen. Dieses Direktmischkonzept ermöglicht aufgrund seiner einfachen Struktur die geringe Versorgungsleistung. Den 4,5 Mbps High-Speed Mode optimieren dabei die Übertragungscharakteristik des Low-Pass-Filters und der ADC mithilfe digitaler Schaltungen. Im 11,7-kbps-Betrieb arbeitet der LNA mit geringer Leistung. Das reduziert seine Empfindlichkeit, doch dies wird durch digitale Signalverarbeitung in Folge kompensiert. 6 meditronic-journal 2/2014

Aus Forschung und Technik 2. Digitale High-Speed- Dreipunktmodulation Der Einsatz eines Mixers im Sendezug macht es einfacher, einen High-Speed Mode zu implementieren. Jedoch sind Mischer und ihrer Treiber dafür bekannt, eine hohe Versorgungsleistung zu benötigen. Durch geschickte Kombination der drei folgenden Techniken wurde dennoch eine geringe Versorgungsleistung erzielt: - Statt eines Sendermischers wird eine digitale Dreipunkt-Modulationsschaltung eingesetzt. Darin erzeugt eine PLL das Funksignal, abgeleitet von einer digitalen Schaltung. Diese liefert ein Signal mit hoher und ein Signal mit niedriger Frequenz. Das verstärkte Sendesignal gelangt schließlich über einen Power Amplifier zur Antenne. - Um den High-Speed-Modus in Einklang mit der Dreipunktmodulation zu implementieren, wurde eine Dual-Varactor-Schaltung entwickelt. Diese sorgt dafür, dass im High-Speed Mode die Variation der Varactor-Kapazität ansteigt. Dies nutzt ein VCO aus, der die hochfrequent modulierten Signale als Eingangssignale nutzt. - Für den Low-Speed/Low- Power Mode wurde eine spezielle Low-Power-Technologie entwickelt, welche den Stromverbrauch der VCO-Modulationsschaltung um 90% reduziert, ohne die Qualität der Modulation nennenswert zu beeinträchtigen. Die genannten technologischen Fortschritte erlauben zusammen sowohl einen Low-Speed- als auch einen High-Speed-Modus mit einer über 300 mal höheren Übertragungsrate, bei maximalen DC-Versorgungsleistungen von nur 1,6 mW (receiving) bzw. 1,8 mW (transmitting). Ergebnisse und Aussichten Die vorgestellte Healthcare- Applikation hat das Potential, in breitem Umfang als Sensor-Frontend-Interface im Management medizinischer Geräte eingesetzt Bild 2: Die Transceiver-Architektur lässt die im Text näher beschriebenen wesentlichen neuen Merkmale erkennen. zu werden, wie im Aufmacherbild skizziert. Fujitsu Laboratories plant, das Konzept dieser Applikation über die Bereiche Medicine und Healthcare auszuweiten, wie beispielsweise die Darstellung sozialer Infrastruktur oder die Erweiterung bestehender Netzwerk-Frontend- Interface-Technologien. Schließlich wurde hier eine fundamentale Network-Frontend-Technologie entwickelt, welche auch in anderen Bereichen vorteilhaft eingesetzt werden kann. Dazu zählen beispielsweise auch Landwirtschaft, Livestock Management oder Fabrik- und Umwelt- Monitoring. Quellen www.fujitsu.com http://jp.fujitsu.com/labs/en www.imec.be www.holstcentre.com Basisbandsignal: So bezeichnet man entweder das noch unmodulierte Signal beim Senden oder das empfangene Signal nach der Demodulation. Modulation/ Demodulation: Als Modulation bezeichnet man das Aufprägen der eigentlichen Informationen (z.B. Sprache oder Daten) auf ein Trägersignal. Als Demodulation bezeichnet man die Rückgewinnung der Information im Empfänger. PLL: Phase-Locked Loop (phasenstarre Schleife). Das ist ein Glossar Schaltungsprinzip, um mithilfe einer Regelung besonders frequenzstabile Signale zu erzeugen. Eine PLL benötigt eine stabile Referenzfrequenz. VCO: Voltage-Controlled Oscillator (spannungsgesteuerter Oszillator). Die Frequenz dieses Oszillators ist von einer externen Gleichspannung abhängig. Varactor: Dies ist die allgemeine Bezeichnung für Bauelemente, die eine mit einer Gleichspannung beeinflussbare innere Kapazität aufweisen. Hierzu zählt die Kapazitätsdiode. meditronic-journal 2/2014 7

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