Design von IoT-Medizinprodukten und -Anwendungen: Herausforderungen und Überlegungen

Idealerweise sollte jede Technologie Menschen und deren Fähigkeit, notwendige Aufgaben zu erfüllen, erheblich beeinflussen. Doch wenn neue Technologien im medizinischen Bereich Einzug halten, sind die Einsätze immer etwas höher: Man muss sich bewusst sein, dass jegliche Fehler, Fehler oder Fehlfunktionen unmittelbar die Gesundheit einer Person beeinflussen werden. Zwar wird nicht jedes medizinische Gerät über Leben und Tod entscheiden, dennoch sollten sie sorgfältig betrachtet werden.

Das Design für IoT stellt immer eine Herausforderung dar, aber medizinische IoT-Anwendungen haben eine zusätzliche Komplexitätsebene, die zusätzliche Aufmerksamkeit erfordert. Nicht nur der Prozess der Bauteilauswahl muss rigoroser sein, sondern das Design muss auch berücksichtigen, dass das Gerät starker Abnutzung und unterschiedlichen Umweltbedingungen ausgesetzt ist. Darüber hinaus müssen Sicherheit und Zuverlässigkeit höchste Priorität haben. Wo fängt man an?

Arten von Geräten und Wearables

Typischerweise kann man Gesundheits-IoT-Geräte aus einer von zwei Perspektiven betrachten: Ingenieurwesen oder Medizin. Aus ingenieurtechnischer Sicht sind medizinische IoT-Geräte größtenteils in zwei Kategorien unterteilt: Implantierte Sensoren und Monitore oder Wearables.

• Implantierte Sensoren und Monitore: Aus ingenieurtechnischer Sicht müssen diese Arten von Geräten unter besonderer Berücksichtigung der Wechselwirkung zwischen Materialien, Komponenten und der Beeinflussung durch Körperbewegungen hergestellt werden. Darüber hinaus sollten Sie, wenn Sie implantierte Sensoren oder Monitore entwerfen, darauf achten, die Stromversorgung zu planen, da höchstwahrscheinlich bei einem leeren Akku ein invasiver Eingriff notwendig sein wird, um dem Gerät mehr Strom zuzuführen.
• Wearables: Obwohl diese Geräte den implantierten Sensoren und Monitoren ähnlich sein werden, haben sie unterschiedliche Umweltanforderungen - Feuchtigkeitsresistenz und größere Flexibilität - als Implantate. Und obwohl eine konstante Stromversorgung immer vorzuziehen ist, werden Wearables anpassungsfähiger an die Stromnachfrage sein als implantierte Geräte.

Aus medizinischer Sicht werden diese Geräte eher nach ihrer Wirkung kategorisiert: Geräte, die für das Lebensmanagement kritisch sind, nicht-kritische Geräte zur Gesundheitsüberwachung und Lebensführung sowie Gesundheits- oder Fitness-Tracker.

• Überwachung der Vitalfunktionen und Lebensmanagement: Diese Elektronik wird zur Überwachung von Dingen wie Herzschrittmachern und Beatmungsgeräten verwendet. Sie sind dafür verantwortlich, Daten, die von lebenswichtigen Organen und Systemen gesammelt wurden, zu übertragen. Die Aufmerksamkeit, die diesen Geräten gewidmet wird, sollte ihrer Rolle bei kritischen Körperfunktionen bewusst sein.
• Nicht lebensnotwendiges Lebensmanagement: Eine Klassifizierung des nicht lebensnotwendigen Lebensmanagements soll nicht bedeuten, dass diese Arten von Geräten weniger wichtig sind, sondern diagnostizieren, dass das Zeitfenster, in dem eine Reaktion notwendig ist, falls diese Geräte ausfallen, deutlich größer ist. Zu diesen Arten von Geräten könnten Dinge wie Blutdruck- oder Glukosemonitore gehören.
• Gesundheits- oder Fitness-Tracker: Genau wie sie klingen, werden Gesundheits- oder Fitness-Tracker Daten bezüglich Schrittzahl, Ernährung, Kalorienverbrauch verfolgen, um die persönliche Fitness und Gesundheit zu erhalten.

Unabhängig davon, wie Sie die Geräte klassifizieren, können medizinische IoT-Elektronik die Beziehung des Datenmanagements für Patienten und persönliche Pflege drastisch beeinflussen.

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Layout und Systemanforderungen

Medizinische IoT-Geräte benötigen Hardware, die sehr robust ist und den harten und unterschiedlichen Umgebungen standhalten kann, denen Patienten ihre Geräte aussetzen. Das kann eine Dusche, ein Sportereignis oder einfach nur das tägliche Herumsitzen sein. Während die Hardware robust sein muss, muss sie auch empfindlich genug sein, um zuverlässige Daten durch das Sammeln von hochwertigen Signalen und das Filtern jeglichen Umgebungslärms zu liefern.

Darüber hinaus müssen die gesammelten Signale auch signalverarbeitet werden, was erfordert, dass der Mikroprozessor über ausreichende Geschwindigkeit und Fähigkeit verfügt, um die für eine zuverlässige Leistung erforderliche Datenverarbeitung zu bewältigen. Das könnte einfach die Interpretation von analogen Eingaben beinhalten oder etwas Komplizierteres wie das Entfernen von Bewegungsartefakten aus dem Eingang. Dann muss dieser Prozessor geringe genug Energieanforderungen haben, um mit einer für eine tragbare Anwendung geeigneten Batterie zu funktionieren.

Formfaktor

Das Design Ihres Geräts wird stark durch den Formfaktor des Endprodukts bestimmt. Werden Sie einen Monitor auf einem tragbaren Ständer haben? Wird ein Patient es am Körper tragen? Steht es alleine in der Umgebung eines Patienten?

Der Formfaktor eines medizinischen oder Fitness-IoT-Produkts wird beeinflussen, wie Patienten und Ärzte es verwenden.

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Anwendungen am Körper sind häufig als Armband oder Uhr verfügbar. Da Patienten daran gewöhnt sind, etwas am Handgelenk zu tragen, ist es viel einfacher sicherzustellen, dass das Überwachungsgerät konsequent getragen wird. Für eine ästhetischere Option ist Schmuck eine weitere Möglichkeit, mit Geräten, die in Halsketten oder Broschen integriert sind. Kleidung ist eine weitere beliebte Option, mit Antennen oder Sensoren, die in den Stoff integriert sind. Die Verwendung von Kleidung erfordert jedoch in der Regel ein verbundenes Verarbeitungsgerät, was die Attraktivität der Verwendung von Kleidung verringert. Es ist jedoch wahrscheinlich, dass verbesserte elektronische Textilien die Anforderungen an integrierte Elektronik verringern werden.

Einige Produkte müssen einen Patienten nicht ständig überwachen und können die Form eines tragbaren Geräts oder eines Haushaltsgegenstands annehmen. Die meisten Haushaltsbeispiele konzentrieren sich auf Fitness, anstatt auf medizinische Anwendungen, aber ähnliche Prinzipien können angewendet werden. Einige Beispiele sind Waagen, die sich mit einer Tracker-App verbinden und Ihnen langfristiges Feedback über Ihre Fortschritte bei der Verwaltung Ihres Gewichts und BMI geben. Ein anderer Ansatz ist das Anbringen eines Sensors an einer Matratze, um detaillierte Informationen über die Schlafqualität zu erhalten.

Signalintegrität

PCB-Designüberlegungen zur Verwaltung der Signalintegrität sind für IoT-Geräte von entscheidender Bedeutung. Sie möchten darauf vertrauen können, dass jedes verbundene Gerät in der Lage ist, das richtige Signal innerhalb der erwarteten Zeitrahmen zu übertragen. IoT-Geräte, die über Konnektivität arbeiten, werden sich auf Platinendesignprinzipien wie Trace-Routing und Trace-Breitenmanagement, EMI und Geräuschreduzierung sowie auf die Berücksichtigung der notwendigen Ausgangssignalstärken stützen.

Leistung und Stromverbrauch sind ebenfalls Aspekte einer Schaltplatine, die mit der Signalintegrität Ihres Designs konkurrieren werden. IoT-Geräte haben berüchtigte Erfahrungen mit hohen Anforderungen an den Stromverbrauch. Platinenlayout-Software, die leistungsstarke Routing-Tools nutzt und die Designregelprüfung direkt in ihre Schnittstelle integriert, wäre bei der Gestaltung von Platinen, die in ihrem Signalintegritätsmanagement sicher sind, von immensem Nutzen.

Designherausforderungen und Überlegungen: Systeme, Signalintegrität und Datenverarbeitung

Unabhängig von der Form Ihres Produkts sind medizinische und Fitnessdaten sehr persönlich und müssen aus ethischen und rechtlichen Gründen angemessen geschützt werden. Natürlich möchten Sie, dass Ihre Nutzer ihre Daten privat halten und selbst darüber bestimmen können; je nach Land sind medizinische Daten jedoch durch verschiedene Gesetze geschützt, wie z.B. HIPAA in den USA. Das bedeutet, dass die Sicherheit der Daten auf dem Gerät, während der Übertragung und überall dort, wo Informationen zusammengeführt werden, sowohl aus Software- als auch aus Hardware-Perspektive betrachtet werden muss.

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Daten müssen auf jeder Ebene während der Übertragung und Verarbeitung gesichert werden.

Sie möchten auch die Interoperabilität Ihres Produkts planen. Die Datenkompatibilität fällt möglicherweise nicht in Ihren Zuständigkeitsbereich als Hardware, aber wenn sie unberücksichtigt bleibt, dann ist all Ihre Entwicklungsarbeit umsonst auf ein Produkt verschwendet, das nicht wie erwartet funktionieren kann. Auch bei der Hardware sind Sie nicht aus der Verantwortung. Um vollständig zuverlässig und nutzbar zu sein, muss Ihr System möglicherweise mit mehreren drahtlosen Spektren interagieren oder ohne Komplikationen mit anderen medizinischen Geräten kommunizieren können.

Obwohl das medizinische IoT überwältigend erscheinen kann, bietet es eine hervorragende Möglichkeit, Patienten zu dienen und Leben zu retten. Bei solch hohen Einsätzen ist es hilfreich, zuverlässige Werkzeuge zu verwenden, die der Aufgabe gewachsen sind, wie Altium Designer^®  für PCB-Design.

Um mehr darüber zu erfahren, wie man PCB-Design-Herausforderungen überwindet, um zuverlässige und robuste medizinische IoT-Anwendungen zu entwerfen, sprechen Sie mit einem Experten bei Altium.

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