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GMDS 2012: 57. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Medizinische Informatik, Biometrie und Epidemiologie e. V. (GMDS)

Deutsche Gesellschaft für Medizinische Informatik, Biometrie und Epidemiologie

16. - 20.09.2012, Braunschweig

Prototypische Entwicklung eines 100€-Wireless Sensor Network Knotes für medizinische Anwendungsfelder

Meeting Abstract

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  • Sascha Berliner - Fachhochschule Brandenburg, Informatik und Medien, Brandenburg an der Havel, Deutschland
  • Thomas Schrader - Fachhochschule Brandenburg, Informatik und Medien, Brandenburg an der Havel, Deutschland

GMDS 2012. 57. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Medizinische Informatik, Biometrie und Epidemiologie e.V. (GMDS). Braunschweig, 16.-20.09.2012. Düsseldorf: German Medical Science GMS Publishing House; 2012. Doc12gmds108

DOI: 10.3205/12gmds108, URN: urn:nbn:de:0183-12gmds1083

Veröffentlicht: 13. September 2012

© 2012 Berliner et al.
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Gliederung

Text

Einleitung: Für verschiedene Szenarien wie Rehabilitation, Massenunfälle oder zum Fitnesstraining bietet sich die Verwendung von einzelnen Funksensoren oder von Sensornetzwerken an. Durch den Einsatz von leitungslosen Sensoren hat der Nutzer während des Monitoring seine volle Bewegungs- und Handlungsfreiheit. Bei Massenunfällen können durch diese Technik viele Verletzte zentral überwacht und somit die Ersthelfer entlastet werden. Gleichzeitig kann durch entsprechende Auswertung der Vitaldaten aufgezeigt werden, wo das sofortige Eingreifen eines Helfers notwendig ist. Die Sensordaten können zur Aufzeichnung und Ansicht auf ein mobiles oder stationäres Gerät übertragen werden.

Aufgabenstellung: Es sollte ein Funksensor für den medizinischen Bereich prototypisch entwickelt werden, dessen Anschaffungskosten maximal 100€ betragen und damit deutlich unter denen vergleichbarer Sensoren liegen. Die Verbindung zum Empfangsgerät musste stabil gegen Interferenzen sein und die problemlose Verwendung von mehreren Sensoren gleichzeitig ermöglichen. Der Sensor soll an den Extremitäten tragbar sein und eine Betriebszeit von vier Stunden nicht unterschreiten. Durch die Gestaltung des Aufbaus und des Interfaces sollte eine einfache Erweiterbarkeit und Anpassbarkeit gesichert werden.

Vorgehensweise: Die Entwicklung findet unter Beachtung des Medizinproduktegesetzes statt und umfasst eine Dokumentation über den gesamten Entwicklungszyklus. Um die Anschaffungs- und Wartungskosten gering zu halten werden Standardkomponenten aus dem Fachhandel verwendet. Ein weiterer Vorteil der Standardkomponenten ist die bereits erfolgte Zulassung für die Nutzung der lizenzfreien ISM-Bänder im deutschen Raum. Dadurch wird ein Einsatz in einem Medizinprodukt vereinfacht. Die vom Sensor gemessenen Daten werden für eine spätere Auswertung zu einem Computer übertragen und aufgezeichnet. Um dem durch WLAN und Bluetooth genutztem 2,4 GHz Band auszuweichen wird das 868 MHz Band für die Kommunikation zwischen Sensor und Empfänger verwendet.

Umsetzung: Die Nutzung eines standardisierten Mikrocontrollerboards (Arduino-Board) mit integrierter ZigBee-Schnittstelle und weiteren Standardkomponenten ermöglicht es die Abmaße sowie die Kosten gering zuhalten. Durch die Verwendung des ZigBee Standards und somit eines von der Netzagentur freigegebenen Frequenzbandes, sowie die Stromversorgung mittels Lithium-Ionen Akkumulator werden einige Voraussetzungen für die Weiterentwicklung zu einem Medizinprodukt erfüllt. Lithium-Ionen Akkumulatoren haben bei geringer Baugröße und Gewicht eine ausreichende Kapazität um den Sensor über längere Zeit zu betreiben und sind somit die ideale Wahl. Über das Mikrocontrollerboard und eine Standard USB-Schnittstelle lässt sich der Akkumulator aufladen. Der Sensor enthält einen 3-Achsen Beschleunigungsmesser sowie Anschlüsse zur Aufnahme eines EKG oder EMG. Die Programmierschnittstelle basiert auf Processing, einer javabasierten Entwicklungsumgebung und unterstützt somit die Entwicklung geeigneter Algorithmen für die sichere Signalerfassung, -übertragung und -auswertung.

Aussicht: Mit der Verwendung des Standard Mikrocontrollers von Atmel ist eine weitere Reduzierung der Schaltungsgröße später möglich. Die ZigBee-Module für 868 MHz und 2,4 GHz haben die gleiche Bauform und Beschaltung, was einen einfachen Austausch in weiteren Versuchen erlaubt. Ein Wechsel auf 2,4 GHz-Module der Serie 2 ermöglicht es, unterschiedliche Sensornetzwerkarchitekturen aufzubauen, in welchen die einzelnen Sensoren untereinander kommunizieren können. Damit kann die Stabilität und die Reichweite der Signalübertragung verbessert werden.