ArchivDÄ-TitelSupplement: PRAXiSPraxis Computer 3/2002Body Area Network: Die Zukunft der Medizin ist kabelfrei

Supplement: Praxis Computer

Body Area Network: Die Zukunft der Medizin ist kabelfrei

Dtsch Arztebl 2002; 99(23): [25]

Dünkler, René

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Abbildung 1: Erster Prototyp eines Body Area Network
Abbildung 1: Erster Prototyp eines Body Area Network
Body Area Network (BAN) steht für eine neue drahtlose Übertragungstechnologie.
Mit dieser ist eine Anbindung von am Körper getragenen medizinischen Sensoren und Aktoren und die Übertragung der Daten zum medizinischen Fachpersonal möglich.
Um 6 Uhr wecken und Temperatur messen, 6:30 Uhr Puls messen, 7 Uhr Blutdruck messen, 9 Uhr Visite, 11 Uhr erneut Temperatur messen, 12 Uhr Mittagessen, 14 Uhr EKG, 15 Uhr erneut Blutdruck messen. Zwischendurch müssen Werte zu Blutsauerstoff, Glukosegehalt des Blutes oder andere Parameter gemessen werden. Wer schon einmal im Krankenhaus war, kennt diesen Alltag für einen Patienten.
Selbst in der Nachbetreuung im Anschluss an eine schwere Operation oder bei chronisch Kranken im eigenen Zuhause ist aufgrund der notwendigen Verkabelungen mit Einschränkungen der Mobilität zu rechnen. Zurzeit ist die regelmäßige Messung von Körperfunktionen, wie zum Beispiel Temperatur, Glukosegehalt oder Langzeit-EKG-Werten, bei Nachsorgepatienten oder chronisch Kranken zu Hause nur mittels Peripheriegeräten möglich, die über Kabel angeschlossen sind. Der Patient liegt dabei – teilweise gefesselt durch eine Vielahl von Kabeln und Drähten – neben den Messgeräten, ohne sich bewegen oder meist auch nur im Bett umdrehen zu können. Sekundäre Krankheiten, die durch diesen Bewegungsmangel mit verursacht werden können, wie zum Beispiel erhöhte Thrombosegefahr, können die Folge sein. Selbst wenn es nicht zu solchen Krankheiten kommt – der Patient ist in seiner Bewegungsfreiheit eingeschränkt und wird ständig an seine Krankheit erinnert.
Damit künftig der Mensch und nicht die Krankheit im Mittelpunkt steht, arbeitet das Fraunhofer Institut für Integrierte Schaltungen, Bereich Angewandte Elektronik (Fraunhofer IIS-A) an einem System zur drahtlosen Anbindung von am Körper getragenen medizinischen Sensoren und Aktoren – dem Body Area Network (BAN). Das BAN-System schafft die Basis für neuartige Anwendungen und Dienstleistungen im Bereich der Gesundheitstechnik. Aus verschiedenen medizinischen Anwendungsszenarien wurden die Einsatzgebiete Krankenhaus und Home Care ausgewählt, in denen eine drahtlose Vernetzung von Sensoren und Aktoren einen Qualitätsgewinn für den Patienten bringt.
Einsatzgebiet Krankenhaus
Der Patient befindet sich im Krankenhaus. An seinem Körper sind mehrere Sensoren, die permanent wichtige Parameter des Patienten messen. Diese Daten werden in einer Basisstation, die der Kranke zum Beispiel in Form eines Armbands am Körper trägt, gesammelt. Der Patient wird in seiner Bewegungsfreiheit nicht durch Kabel behindert. Über ein Local Area Network (LAN) und eine Medical Workstation werden die Daten direkt dem behandelnden Arzt oder der Schwester zugänglich gemacht. Der Patient bleibt mobil und ist trotzdem im ständigen Kontakt mit dem Arzt; somit gewinnt er an Lebensqualität und Sicherheit.
Die Vorteile für den Arzt: Er kann jetzt kontinuierlich die Daten des Patienten erheben. In Echtzeit sind die Parameter am Arbeitsplatz und mobilen Terminal des Arztes abrufbar. Der Traum von der kontinuierlichen medizinischen Datenerhebung von der Einlieferung
bis zum Abschluss der Behandlung zu Hause wird zur Realität.
Einsatzgebiet Home Care
Der Patient wird nach einer schweren Operation aus dem Krankenhaus entlassen. Anschließend sind eine intensive Nachbetreuung und eine Verbindung zum Arzt erforderlich. Dabei werden Vitalparameter weiter überwacht und so der Genesungsprozess intensiver kontrolliert. Ebenso wie im Krankenhaus werden durch das BAN-System verschiedene Sensoren am Körper miteinander vernetzt und die Daten in einer Basisstation gesammelt. Diese Parameter, wie Temperatur, Blutdruck und Ähnliche, werden drahtlos an eine Hausbasisstation übertragen. Dies kann zum Beispiel mit dem herkömmlichen DECT-(Digital Enhanced Cordless Telecommunication-)Standard geschehen. Über ein Gateway ist der behandelnde Arzt mit der Hausbasisstation und dadurch mit dem Patienten verbunden. Der Arzt hat damit jederzeit die Möglichkeit, Gefahren zu erkennen und rechtzeitig einzugreifen – gleichzeitig bleibt der Patient mobil und hat einen Mehrwert an Lebensqualität. Ein weiterer Vorteil: Wenn sich der Genesungszustand bessert, kann die Medikamentendosis zeitnah angepasst werden.
Sowohl beim Monitoring im Krankenhaus als auch zu Hause ist zu beachten, dass die zu übertragenden Daten sensibel zu behandeln sind und über gesicherte Verbindungen transportiert werden müssen. Dies gilt sowohl für die drahtlose Übertragung am Körper als auch für die Übertragung bis zum Arzt. Hier arbeitet das Fraunhofer IIS-A an geeigneten Konzepten und Technologien.
Das Projekt Body Area Network läuft bereits seit einigen Jahren. Ende 2001 wurde ein erster Prototyp vorgestellt. Dieser zeigt die grundsätzliche Funktionalität der körpernahen Datenübertragung (Abbildung 1).
Technische Realisierung
Abbildung 2: Messungen zur Feldausbreitung am Modell eines menschlichen Körpers
Abbildung 2: Messungen zur Feldausbreitung am Modell eines menschlichen Körpers
Body Area Network hat einen Schwerpunkt in der drahtlosen Übertragung und Vernetzung am Körper. Erst eine solche Vernetzung macht es möglich, gleichzeitig mehrere Parameter zu messen und an medizinisches Fachpersonal weiterzugeben.
Im Rahmen von BAN wurde die Feldausbreitung am Körper für verschiedene Frequenzen untersucht. Auf dieser Grundlage und mit verschiedenen Randbedingungen, wie Zulassung, Energieverbrauch, elektromagnetische Verträglichkeit und Integrierbarkeit, wurde die Übertragungsfrequenz für die körpernahe Übertragung (BANCom) festgelegt (Abbildung 2). Messungen und Simulationen haben gezeigt, dass die geforderte Mindestreichweite von etwa ein bis zwei Metern am Körper und gleichzeitiger geringer Sendeleistung bei einer Frequenz von etwa 400 MHz optimal zu erreichen ist. Hier bietet sich das 402–405 MHz-Band an. Dies ist ein spezielles Band, das nur für medizinische Anwendungen reserviert ist – ein weiterer Vorteil im sensiblen Bereich der Medizintechnik. Mit BANCom können Datenübertragungsraten von 120 kBit/s pro System erreicht werden. Diese sind für die Übertragung medizinischer Parameter, wie Temperatur, Blutdruck oder 3-Kanal-EKGs, ausreichend. Als Modulationsverfahren wird dabei DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying) verwendet, das diese relativ hohe Datenrate bei gleichzeitigem Betrieb mehrerer BAN-Systeme nebeneinander ermöglicht, ohne dass sich die Systeme gegenseitig stören.
Die Anwendungen stellen an das Übertragungsprotokoll für die körpernahe Übertragung (BANCom-Protokoll) besondere Anforderungen. Die Protokollsoftware ermöglicht es, das drahtlose Übertragungssystem so zu gestalten, dass es in der medizinischen Anwendung optimal eingesetzt werden kann. So wird zum Beispiel die Übertragung verschieden hoher Datenraten der diversen am Körper getragenen Sensoren optimal unterstützt.
Das BANCom-Protokoll definiert zusätzlich eine so genannte Multiframestruktur. Dadurch ist es möglich, Sensoren, die über einen längeren Zeitraum keine Daten messen und übertragen, abzuschalten und so Energieleistung zu sparen. Der Blutdruck wird beispielsweise nur jede Stunde gemessen – in der Zwischenzeit wird die drahtlose Übertragungsstrecke ausgeschaltet und dadurch eine lange Lebensdauer der Batterien des Systems garantiert. Darüber hinaus unterstützt das Protokoll bidirektionale Datenübertragung, die je nach medizinischer Anwendung sowohl symmetrisch als auch stark asymmetrisch sein kann. Im Rahmen des Übertragungsverfahrens sowie diverser Protokollimplementierungen ist sichergestellt, dass mehrere Systeme nebeneinander betrieben werden können. Aufgrund dieser Implementierungen ist es nicht möglich, dass zum Beispiel einem Patienten der Blutdruck des Nachbarpatienten zugeordnet wird.
Die BANCom-Hardware besteht aus einem analogen und einem digitalen Teil. Der analoge Teil umfasst eine an den Körper angepasste Antenne, einen integrierten Sender und Empfänger sowie die zugehörigen externen Komponenten. Im Digitalteil befinden sich ein Modulator, ein Demodulator, ein Burst-Mode-Controller sowie ein Micro-Controller und ein Power-Management-Modul.
BANCom soll klein und leistungseffizient sein. Kombiniert mit hoher Zuverlässigkeit und niedrigen Kosten wird eine breite Anwendung möglich. Ein Sensorpflaster, das am Körper getragen werden kann, ist hier das Ziel.
Ausblick
Nach der Vorstellung des ersten Prototyps wird zurzeit an der Intergration des BANCom-Protokolls und der körpernahen Übertragungsstrecke gearbeitet. Ziel ist es, 2003 ein Evaluations-Kit für Testzwecke zur Verfügung zu stellen. Bei genügender Nachfrage folgt die Serienproduktion eines integrierten BANCom zur drahtlosen Übertragung am Körper.
Um von Anfang an bei dieser neuen Basistechnologie dabei zu sein, eventuell noch Spezifikationen einzubringen sowie später Zugriff auf Testmuster zu haben, bietet das Fraunhofer IIS-A die Mitarbeit in einer strategischen Kooperation an. Je größer das Interesse an dem BAN-System, umso größer ist die Chance, dass BAN ein Quasistandard für körpernahe drahtlose Übertragung in der Medizin wird.
Studien haben gezeigt, dass eine Mehrparameterbeobachtung zur Überwachung chronischer Patienten erforderlich ist. Darüber hinaus machen neue Randbedingungen eine gleichzeitige Kontrolle mehrerer Lebensparameter erforderlich – Stichwort „Disease Management“. Mithilfe von Body Area Network ist ein gleichzeitiges Abfragen und Sammeln mehrerer Parameter drahtlos möglich. Zusätz-lich kann BAN zu entstehenden neuen Anwendungen einen technologischen Beitrag liefern. Letztlich muss jedoch stets der Mensch im Mittelpunkt stehen und Technologien wie BAN sollten hilfreich, aber unauffällig im Hintergrund wirken. René Dünkler
Kontaktadresse: René Dünkler, Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen
IIS-A, Am Wolfsmantel 33, 91058 Erlangen, Telefon: 0 91 91/77 63 18, E-Mail: ban-info@iis.fhg.de, Internet: www.ban.fhg.de
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