- Anwendung in telemedizinischen Systemen -

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1 3nd LEIBNITZ Conference of Advanced Science Sensorsysteme 2006, Body Area Networks - Anwendung in telemedizinischen Systemen - W.-J. Fischer, H.G.Despang, H.J. Holland, D. Wiedemuth Institut für Photonische Mikrosysteme (IPMS), Dresden

2 Gliederung Warum brauchen wir neue technische Lösungsansätze im Gesundheitswesen? Telemedizin Was ist ein Body Area Network? Einbindung in telemedizinische Strukturen Das Body Area Network des IPMS EKG-Sensor Photoplethysmografiesensor Drahtlose Datenübertragung Kontinuierliche Blutdruckmessung mittels Body Area Network Ausblick

3 Der kriselnde Gesundheitssektor Quelle: W. Niederlag, Krankenhaus Dresden-Friedrichstadt, 2005

4 Demografische Entwicklung Krankheitskosten im Alter Jahre: /Jahr > 85 Jahre: /Jahr Kosteneinsparungen Verlagerung medizinischer Leistungen in den ambulanten Bereich Heimbereich Telemedizin

5 Krankheitskosten 2002 in Deutschland in Mrd. Euro Statistisches Bundesamt 2004

6 Definition Telemedizin Die Telemedizin ist ein Teilbereich der Telematik im Gesundheitswesen und bezeichnet Diagnostik und Therapie unter Überbrückung einer räumlichen oder zeitlichen Distanz zwischen Arzt und Patienten oder zwischen zwei sich konsultierenden Ärzten mittels Telekommunikation. Telediagnostik Teleradiologie Telekonsultation Telechirurgie Telekardiologie Telemonitoring Telepathologie Teledermatologie Chirurgie-Roboter Teleradiologie Telepathologie für die Schnellschnittbegutachtung

7 minus 114 Notarzteinsätze minus 69 stationäre Aufnahmen Prof. minus H.Korb: 207 Telemedizinisches Besuche Zentrum der Personal bei Haus- HealthCare o. Facharzt Service GmbH Düsseldorf

8 Netzwerk für TeleHomeCare Patient Kabel / Bluetooth Gateway im Heimbereich Klinik, Arztpraxis Bluetooth EKG Blutdruckmessgerät Waage Body Area Network Telefon, Mobilfunk Internet Heimbereich EPA Telemedizinisches Zentrum

9 Network Area Definitions Personal Area Network Courtesy of IEEE Press Kit Presentation (January 19, 2001)

10 Intra- und extrakorporale Sensoren interner Sensor intrakorporaler Sensor externer Sensor zentrale Körpereinheit extrakorporaler Sensor zentrale Körpereinheit Schnittstellen RF-Transponderschnittstelle Funkschnittstelle (Bluetooth, ZigBee, anwendungsspezifisch) Infrarotschnittstelle akustische Schnittstelle

11 Eindringtiefe elektromagnetischer Wellen in Körpergewebe Frequenzabhängige Eindringtiefe Elektromagnetischer Strahlung in Körpergewebe Quelle: Elektromagnetrische Felder Im Alltag, Landesanstalt für Umwelt- Schutz Baden-Württenberg

12 ISM Frequenzbereiche USA / Kanada 125 khz 13,56 MHz 433 MHz MHz 2,45 GHz EU-Länder 125 khz 13,56 MHz 433 MHz MHz 2,45 GHz Korea 125 khz 13,56 MHz 433 MHz MHz 2,45 GHz Australien 125 khz 13,56 MHz 433 MHz MHz 2,45 GHz ISM-Frequenzen (Industrial-Scientifical-Medical), UHF-Frequenzen Japan 125 khz 13,56 MHz 433 MHz MHz 2,45 GHz

13 Telemonitoring von Implantaten Herzschrittmacher Implantierbarer Defibrillator künstliche Organe Drug Delivery Systeme Endoskop Kapsel Cochlear Implantat Cochlear-Implantat Herzschrittmacher von Biotronik Endoskop-Kapsel

14 Telemonitoring von extrakorporalen Sensoren Sensorik extrakorporal an der Körperoberfläche Sensorik extrakorporal in der Kleidung (wearable)

15 Body Area Network des IPMS Zentrale Körpereinheit EKG, Atmung, Lage, Speicherung IrDA (nur bei Praxisbesuch) Bluetooth KE Armband SPO2, Pulswelle, Notfallknopf Bluetooth GSM Klinik, Arztpraxis

16 Body Area Network des IPMS 3-Kanal-EKG über 24 Stunden Kontinuierliche Blutdruckmessung Bluetooth-Datenübertragung Drahtlose EKG-Übertragung zum PDA Vergleichsmessungen Blutdruck

17 3-Kanal EKG-Folie 3-Kanal-EKG-Folie Kontakte Wiederaufladbare Batterie MSP-Controller (16 bit) Flash-EEPROM 16 Mbit Elektrodenkontakte Analogschalter Bluetooth-Modul EKG-Vorverstärker

18 Photoplethysmographie- Sensor Optische Erfassung der Blutmenge im Gewebe Reflexionsprinzip Signalverstärkung, Filterung Signalvorverarbeitung (Controller, Flankenerkennung) Bluetooth- Funkmodul Elektronik incl. Bluetooth Fingerclip mit Optosensor

19 Gateway im Heimbereich Analog- Telefon 480 MBit/s ( UWB ) ISDN 10 MBit/s HS-IrDa 500 kbit/s Bluetooth 5 kbit/s RFID USB SW SW SW USB DSL GSM UMTS

20 Datenübertragungsraten Beispiel: Übertragung eines 24h-3 Kanal-EKGs - Abtastrate: 200 Samples pro Sekunde (Monitoring, DIN EN ) - AD-Wandlungsbreite: 12 bit - Datenmenge: 78 MByte Verfahren Datenübertragungsrate Minimale Übertragungsdauer für ein EKG von 78 MByte WLAN 11 MBit /s 0,9 min GSM (GPRS-Technologie) 53,6 KBit /s 194 min = 3,2 h UMTS (HSDPA-Technologie) 1,8 MBit /s 5,8 min ISDN 128 KBit /s 81,3 min = 1,35 h ADSL 8 Mbit /s 1,3 min Bluetooth 723 kbit /s 14,4 min 16 Mbit High-Speed-IrDa 12 Mbit /s 0,9 min

21 Integration in Textilien (EKG-BH-Shirt) EKG-BH - 3-Kanal-EKG - Feststoffelektroden) - Bluetooth-Modul - Batterie - Elektronik + Software (MSP 430) EKG-Elektroden auf textilem Träger (FHG-IBMT) Elektroden auf Textilem Träger EKG-BH-Shirt

22 Blutdruckmessung über die Pulswellenlaufzeit Die Geschwindigkeit der Pulswelle vom Herzen zu einer Extremität wie z.b. dem Finger hängt direkt vom Blutdruck ab. Näherungsweise gilt: p sys = m sys * 1/t RP + b sys p dias = m dias * 1/t RP + b dias p sys, p dias : systolischer /diastolischer Blutdruckwert t RP : Pulswellen-Laufzeit, m sys,m dias,b sys,b dias : probandenspez. Konstanten Vorteile: keine Manschette pulsschlaggenaue Messung t R P

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24 Probandenbezogene Auswertung σ sys,12,12 =7,53 mmhg ; σ dias,12,12 =6,88 mmhg σ sys,30,12 =9,36 mmhg ; σ dias,30,12 =13,69 mmhg

25 Nachmessung PWL erste Ergebnisse Belastung (Ergometer) 0 30 W 60 W 90 W W 0 W EKG-Folie Task Force Monitor

26 Grenzen von Bluetooth Aufgabe: EKG: R-Zacke Zeitmessung zwischen zwei Sensorknotensignalen zur Bestimmung der Pulswellenlaufzeit ca ms Pulswellenlaufzeit Signal an der Sendeantenne Signal an der Empfangsantenne Pulsoxymeter Pulsoxymeter? Gemessene Pulswellenlaufzeit

27 Grenzen von Bluetooth Aufgabe: Zeitmessung zwischen zwei Sensorknoten durch Übertragung der aktuellen Zeit Problem: - Notwendige Messgenauigkeit: 1ms - Quarzgenauigkeit im Sensorknoten: 50 ppm - Zeitmessfehler wird bereits nach einigen Minuten erreicht - Synchronisation der Sensorknoten in Bluetooth (ZigBee?) gegenwärtig nicht möglich Lösung: z.z. propriotäre Lösung neues Profil Exakte Zeitmessungen zwischen zwei Sensorknoten sind mit den jetzigen Bluetooth-Profilen nicht möglich!

28 Ausblick: Langzeitmonitoring 7/24 Zielstellungen: Monitoring über 24 Stunden, mindestens über 7 Tage Sensornahe Signalverarbeitung (Vorbefundung) erhebliche Datenreduktion Alarmmeldungen Erkennung und Unterdrückung von Artefakten Integration in Kleidung