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Sensoren für handliche Medizingeräte: Klein, leistungsstark und kostengünstig

Verbesserungen bei Geräten wie Smartphones und Wearables ermöglichen eine zunehmende Mobilität. Diese Trends sind nicht nur im Consumer-Bereich zu beobachten. Medizingeräte werden ebenfalls portabler und lassen sich dadurch in der häuslichen Krankenpflege nutzen.

Honeywell Bildquelle: © utah778

Eine Studie  des Forschungsunternehmens Apex Research schätzt, dass der Markt für medizinische Ausrüstung im Homecare-Bereich aktuell rund 15 Milliarden US-Dollar umfasst. Für 2022 liegen die Prognosen laut RNR Market Research bei fast 26 Milliarden US-Dollar. Diese Markteinflüsse bewirken ein Umdenken bei den Herstellern, kleinere Medizingeräte zu ent­wickeln, da diese praktikabler sind. Gleichzeitig steigt auch die Nachfrage nach kleineren Komponenten wie Sensoren, die in den neuen Geräten verbaut werden. 

Eines ist allerdings wichtig: Die Entwicklung hin zu kleineren Bauformen darf nicht auf Kosten von Funktionalität und Genauigkeit der Sensoren gehen. Innovationen bei Sensoren kommen deshalb vor allem für die unter starkem Kostendruck stehenden Medizingerätehersteller zur richtigen Zeit, um den Bedarf nach kleineren Bauformen bei gleichzeitig hoher Funktionalität und Bezahlbarkeit zu decken. 

Honeywell Bildquelle: © Honeywell

Bild 1: Bei aller Vielfalt der Drucksensoren sind Genauigkeit und Zuverlässigkeit unabdingsbar.

Trends im Sensormarkt 

Kostengünstige Basisdrucksen­soren sind zu einem nachgefragten Produkt geworden – insbesondere bei Ingenieuren, die Baugruppen für hohe Stückzahlen in der Fertigungsindustrie oder im Gesundheitswesen entwickeln. OEMs in diesen Branchen erleben eine stärkere Nachfrage nach Produkten und Komponenten, die die strengen Konstruktionsanforderungen erfüllen.

Im Gesundheitsmarkt liegt der Fokus bei der Entwicklung von Produkten zum Beispiel auf dem Mehrwert für den Nutzer: Alltagstauglicher sowie tragbar und deshalb geeignet für den häuslichen Gebrauch sollen die Geräte sein. Zu beobachten ist ein gestiegenes Interesse an kleineren Geräten im Bereich Sauerstoffkonzentratoren und CPAP-Geräten (kontinuierlich positiver Atemwegs­druck) . Die zunehmende Nutzung von Wearables zur Nachverfolgung des persönlichen Gesundheits­zustands und der Fitness beeinflusst diese Entwicklung zusätzlich. Das Marktforschungsinstitut Gartner prognostiziert in einem Bericht von 2016, dass allein 2017 mehr als 109 Millionen Fitness-Wearables verkauft werden.

Neben dem Komfortgewinn für den Nutzer spielen die Kosten eine wichtige Rolle: Die Entwicklung und Herstellung bestimmter Beatmungs­geräte kann zum Beispiel zehntausende Dollar kosten. Bei dieser Preisklasse ist es leichter zu rechtfertigen, einen teureren Sensor für etwa 15 US-Dollar zu verwenden, da dieser weniger als 1 % der Gesamtkosten einer Elektronikeinheit ausmacht. Schwieriger wird das bei Blutdruckmessgeräten, die lediglich 40 bis 120 Dollar kosten.

Wenn preisgünstige Komponenten die einzige Option für einen Entwickler darstellen, wie evaluiert man die Sensoren für den Gebrauch in hochfunktionellen Systemen? Damit echte Werte aus diesen Anwendungen generiert werden können, dürfen Ingenieure diese Komponenten nicht als reine Ware betrachten, sondern vielmehr als kritische Technik, die einen Wettbewerbsvorteil bedeuten kann.


Genauigkeit ist Trumpf 

Verbesserte Genauigkeit bei einer Komponente wie einem Sensor kann zu höherer Funktionalität und Genauigkeit in diesen Systemen führen. Fortschritte in der Entwicklung kleiner, erschwinglicher Sensoren für preisgünstige, hochvolumige Anwendungen haben die Messgenauigkeit verbessert und damit eine ernsthafte Konkurrenz für einige Premiumangebote geschaffen. Bei günstigen Sensortechnologien werden, genau wie bei teureren, Eigenschaften wie geringe Stromaufnahme, Reproduzierbarkeit und Zuverlässigkeit immer wichtiger.

Niederdruck- und Niedrigstdruck-Siliziumsensoren kommen in Sauerstoffkonzentratoren für eine effiziente Sauerstoffzufuhr zum Einsatz: Die Sensoren ermitteln, wann ein Patient beginnt einzuatmen und steuern daraufhin die Sauerstoffgabe. Somit wird verhindert, dass Sauerstoff abgegeben wird, wenn der Patient nicht einatmet. Dadurch kann man einen Sauerstoffkonzentrator verwenden, der über eine geringere Leistung verfügt, welcher wiederum kleiner ausfallen kann. Die kleinere Ausrüstung benötigt weniger Strom und ist besser zu tragen.

Um die Genauigkeit in preisgünstigen Anwendungen zu erhöhen, sollten einfach zu installierende Komponenten verwendet werden. Dazu gehören kompensierte und verstärkte kompensierte Sensoren. Eine ungenaue Sensortechnologie könnte allerdings die Vorteile zunichte machen, die durch Verwendung von »Plug and Play«-Technologien erreicht werden.Besteht die Möglichkeit, den Druck in Sauerstoffkonzentratoren genauer zu messen, können kurzfristige Nachregulierungen vermieden werden.

Der Wunsch nach »Plug and Play«-Komponenten erklärt in Teilen die wachsende Beliebtheit von kompensierten und verstärkten kompensierten Drucksensoren. Letztere können typischerweise ohne zusätz­liche Aufbereitung genutzt werden und ermöglichen den Austausch einzelner Teile, Kalibrierung und Temperaturkompensation. Ein unverstärkter kompensierter Sensor benötigt unter Umständen eine Verstärkerschaltung, vorausgesetzt, dass kein ASIC mit einem ADC genutzt wird. Im Gegensatz dazu bieten unkompensierte Sensoren Rohdaten – sie benötigen üblicherweise eine Form von Kompensation, um in vielen Anwendungen genutzt werden zu können.

Bei »Plug and Play«-Lösungen wie vollverstärkte kompensierte Sen­soren wird keine zusätzliche Schaltung und Entwicklungszeit benötigt. Trotzdem: Wenn die Lösung nicht akkurat misst, nutzt die einfache Inbetriebnahme wenig.

Wie können sich Entwickler für die ideale Sensorlösung entscheiden? Ein einfaches Szenario klärt auf: Ein unkompensierter Sensor mit einem Total Error Band (TEB) größer als 30 Prozent Full Scale Span (FSS) kostet 9 US-Dollar und ein kompensierter Sensor mit einem TEB von rund 10 Prozent FSS kostet 10 US-Dollar. Ein vollständig verstärkter »Plug and Play«-Sensor mit einem TEB von 1,5 Prozent kostet 13 US-Dollar. Vor dem Hintergrund, dass geringe Kosten und hohe Genauigkeit für das Systemkonzept wichtig sind, ist die Implementierung einer zusätzlichen Schaltung ratsam – sofern die Komponente weniger als 4 US-Dollar kostet. Damit wird die Genauigkeit des günstigeren Sensors verbessert. Eine solche Analyse vorab unterstützt den Entwickler bei der Preis- und Leistungseinschätzung. 

Weitere Funktionsfähigkeiten 

Tragbare Medizingeräte sind nicht neu, aber sie werden zunehmend geeigneter für Patienten, die einem Krankenhausaufenthalt eine Gesundheitsversorgung in ihren eigenen vier Wänden vorziehen. Bei der Entwicklung von kleineren, tragbaren Geräten können keine Abstriche zulasten der Funktionalität hingenommen werden.

Aktuelle Innovationen im Sensorbereich haben aus kostengünstigen Komponenten funktionelle Technologien gemacht, die an die aktuellen Entwicklungen bei Medizingeräten angepasst sind. Verbesserungen von günstigen, kleinen und präzisen Komponenten werden auch weiterhin Entwicklungsingenieure dabei unterstützen, die anspruchvollen Auslegungsparameter in der Medizintechnik einzuhalten.


Michael Schulz 

Systems and Application Engineering Lead,

Honeywell Safety & Productivity Solutions