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Körpertemperatur, Herzfrequenz und Sauerstoffsättigung : Ausgabe 20/2015, 03.12.2015

Der kleine Sensor im Ohr

Der Brustgurt zur Pulsmessung ist für viele Sportler ständiger Begleiter. «Das geht auch komfortabler», dachte sich ein Doktorand der TU München und entwickelte einen Sensor, der bequem und unauffällig im Ohr getragen wird. Inzwischen ist der kleine Herzfrequenzmesser in der Massenproduktion. Nordic Semiconductor und Rutronik leisteten Geburtshilfe.

Autor: Johann Papp

Bilder: Nordic, cosinuss

Als Antwort auf den Fitnesstrend und den steigenden Bedarf an Fernmonitoring in der Medizin, wollte Johannes Kreuzer ein Monitoringverfahren entwickeln, das verschiedene Vitalparameter und mechanische Aspekte erfasst ohne den Nutzer in irgendeiner Weise zu stören oder zu behindern. Bereits 2006 begann er als Doktorand mit der Grundlagenforschung. Dabei macht er den äusseren Gehörgang als idealen Ort zur komfortablen und exakten Messung aus. Das Ergebnis: Der erste Sensor, der die Körperkerntemperatur nicht-invasiv (d. h. ausserhalb des Körper) misst, und ausserdem die Herzfrequenz und die Sauerstoffsättigung des Blutes ermittelt – und den Doktortitel.

Rutronik bietet hohe technische Beratungskompetenz

Anderthalb Jahre nach dem erfolgreichen Abschluss seiner Doktorarbeit gründete Johannes Kreuzer gemeinsam mit Greta Kreuzer das Unternehmen cosinuss° und startete die Entwicklung eines marktfähigen Produkts. Dieses sollte nicht nur die Herzfrequenz messen, sondern die Daten auch drahtlos an alle gängigen Smartphones, Sportuhren und andere Gadgets senden, die mit Bluetooth 4.0 oder ANT+ ausgestattet sind. So kann jeder Hobby- oder Profisportler mit der cosinuss°-Sport-App oder anderen, marktüblichen Apps, wie z. B. endomondo, Runtastic Pro oder MapMyFitness, seine Leistungswerte überwachen.

«Mit den Produkten von Nordic Semiconductor hatte ich bisher immer sehr gute Erfahrungen gemacht, deshalb dachte ich auch für das erste cosinuss°-Produkt gleich an eine Nordic-Wireless-Lösung», erklärt Kreuzer. Da der Hersteller in Europa Rutronik als bevorzugten Distributor empfiehlt, war dieser die erste Anlaufstelle für den Entwickler. Das Wireless-Team von Rutronik unterstützte Kreuzer mit technischem Support bei der Auswahl. Dabei zogen die Ingenieure auch Komponenten anderer Hersteller in Betracht. Sie mussten vor allem eine geringe Grösse haben und eine energiesparsame Funkübertragung ermöglichen.

Top-Rechenleistung bei geringem Stromverbrauch

Die Wahl fiel wieder auf ein Nordic-Produkt: Das Single-Chip-SoC nRF51422 erfüllte alle Anforderungen besser als die Wettbewerbsprodukte. Sein 32-Bit-ARM-Cortex-M0-Prozessor ist auf höchste Rechenleistung bei geringem Stromverbrauch ausgelegt. Zur weiteren Leistungsoptimierung kann er innerhalb kürzester Zeit in den Sleep-Modus versetzt werden, innerhalb 2,5 µs nimmt er wieder seine volle Aktivität auf. Eine intelligente Software trägt ebenfalls zur Reduzierung der Leistungsaufnahme bei, die bis hinab zu 1,75 V reichen kann. Damit lassen sich Knopfzellen bis zu dieser Minimalspannung ausnutzen, was dem Endgerät eine längere Betriebsdauer beschert. Der nRF51422 kommt im kleinen 6 × 6-mm-QFN-Gehäuse mit 48 Pin, das einfacher zu verarbeiten ist als derselbe Chip im noch kleineren 3,5 × 3,8 mm grossen WLCSP-Gehäuse.

ANT-Funknetzstandard: klein und sparsam

Der nRF51422, der im Vergleich zum populären nRF51822 nicht nur die Nutzung von Bluetooth Low Energy (BLE), sondern auch von ANT/ANT+ erlaubt, arbeitet im 2,4-GHz-Band. Diese proprietären Funknetzstandards von der kanadischen Firma Dynastream sind speziell auf Ultra-Low-Power-Applikationen ausgerichtet und erzielen ein noch niedrigeres Energieniveau als BLE. Denn ihr Frequenzkanal ist mit 1 MHz nur halb so breit wie bei BLE, so dass die Datenmodulation entsprechend weniger Energie benötigt. Entwickelt wurde das nur ca. 15 KByte grosse ANT-Protokoll, um Sensoren über kurze Entfernung, bis etwa 50 m, günstig mit Auswertegeräten zu verbinden. Damit ist das Protokoll massgeschneidert für Anwendungen im Sport- und Fitnessbereich sowie im Gesundheitswesen und der Telemedizin. So steckt es auch bereits in vielen Geräten, wie z. B. in 13 der stark verbreiteten Samsung Galaxy und 26 Sony Xperia Smartphone- und Tablet-Modellen. Auch die Platzhirsche S5 und NotePRO 12.2 von Samsung und Z2, sowie Z2 Tablet von Sony, sind selbstverständlich ANT+-zertifiziert.

Hohe Marktakzeptanz war entscheidend für cosinuss°

Diese breite Marktakzeptanz macht das Protokoll auch für cosinuss° interessant, denn der Sensor soll mit möglichst vielen derartigen Geräten kommunizieren können. Weiterer Vorteil von ANT: im Gegensatz zu Bluetooth/BLE sind die Lizenzgebühren mit dem Erwerb des Chips bzw. des Moduls bereits abgegolten, so dass der Gerätehersteller die Technologie praktisch kostenlos nutzen kann. Anders bei Bluetooth: Produkte, die das Protokoll nutzen, müssen seit Februar 2014 über eine eigene «Declaration of Compliance» verfügen, die zusätzlich zum eigentlichen Qualifizierungsprozess (QDID) zu bezahlen ist.

Für den nRF51422 spricht ausserdem seine, für das 2,4-GHz-Band, hohe Reichweite aufgrund der Ausgangsleistung von –20 bis +4 dBm und einer Empfängerempfindlichkeit von –96 dB. Seine Softwarearchitektur erlaubt die strikte Trennung zwischen dem Protokoll-Stack und der Applikationssoftware. Dadurch lassen sich beide getrennt speichern und die Anwendersoftware lässt sich einfacher, schneller und fehlerfreier integrieren. Eine ganze Reihe analoger und digitaler Peripherieelemente kann ohne Zutun der CPU interagieren. 31 integrierte GPIOs, die individuell verschiedenen Pins zugeordnet werden können, sowie PWM, ADC und weitere Features machen einen zusätzlichen Mikrocontroller überflüssig. Das spart nicht nur Platz, sondern auch Kosten und Energie.

Redesigns fordern die Entwickler

Der erste Prototyp stand im August 2012. Ein Jahr später hat cosinuss° ein Redesign durchgeführt. Dabei wurde das Gehäuse weiter optimiert, was Auswirkungen auf das Design der Platine hatte. «Es war etwas kniffelig, den Ohrstecker so zu gestalten, dass er nicht wackelt, aber trotzdem gut sitzt und nicht stört», erinnert sich Johannes Kreuzer. «Wenn wir etwas am Gehäuse geändert haben, mussten wir jedes Mal die Platine entsprechend anpassen. Glücklicherweise konnten wir stets auf die Unterstützung von Nordic und Rutronik zurückgreifen, sogar auch hier bei uns vor Ort.» Auch die Algorithmik, die aus den gemessenen Daten die Pulsfrequenz errechnet, galt es stets äusserst exakt an die Datenerfassung anzupassen.

Weiterentwicklungen vom cosinuss° One sind bereits im Gange

Inzwischen ist der cosinuss° One für rund 150 Euro im Onlineshop (www.cosinuss.com) erhältlich. Der mobile Herzfrequenzmesser erlaubt Sportlern ihren Puls ohne die Unannehmlichkeiten des Brustgurtes zu messen. Er steckt in einem schicken Gehäuse in knalligen Farben, das wahlweise hinter dem linken oder rechten Ohr getragen werden kann. Ein zweites Modell soll folgen. «Hier wollen wir Lautsprecher integrieren, so dass man während des Trainings gleichzeitig seinen Puls messen und Musik hören kann – das bietet sich ja auch an bei einem Gerät, das man ohnehin im Ohr hat.» Auch akustische Rückmeldungen sind damit möglich, etwa wenn die Herzfrequenz den idealen Trainingsbereich unter- oder überschreitet. In einem dritten Produkt plant Kreuzer zusätzlich zum Puls die Körperkerntemperatur zu messen. «Die Kombination beider Daten ist viel aussagekräftiger, so dass Sportler ihre Fitness besser im Blick haben», so Kreuzer. Doch damit nicht genug: cosinuss° plant bereits Weiterentwicklungen, welche die komfortablen Sensoren auch für den Arbeitsschutz und die Medizin nutzbar machen.

Medizinanwendungen bieten weiteres Potenzial

Vor allem in der Schlaf- und Gehirnforschung, in der Telemedizin wie auch im Klinikbereich sieht Kreuzer viel Potenzial. Hierfür muss das Gerät modifiziert werden, um sicherzustellen, dass der Sensor nicht nur alleine, sondern auch durch Pflege- oder medizinisches Personal einfach und sicher angelegt werden kann. Hinzu kommt die Erfüllung medizinischer Anforderungen wie z.B. Desinfizierbarkeit sowie entsprechender Normen. «Deshalb konzentrieren wir uns vorerst auf den Sport- und Fitnesssektor. Hier haben wir auch schon äusserst positive Rückmeldungen bekommen, etwa auf der CeBit», freut sich Johannes Kreuzer. «Auch bei unseren künftigen Entwicklungen setzen wir auf die Unterstützung von Nordic und Rutronik, denn unsere guten Erfahrungen haben sich wieder einmal bestätigt.» 

Infoservice


Rutronik Elektronische Bauelemente AG Brunnenstrasse 1, 8604 Volketswil
Tel. 044 947 37 37, Fax 044 947 37 47
rutronik_ch@rutronik.comwww.rutronik.com



Der Ohrstecker cosinuss° One ist für rund 150 Euro im Onlineshop erhältlich


Dr. Johannes Kreuzer: «Auch bei unseren künftigen Entwicklungen setzen wir auf die Unterstützung von Nordic und Rutronik»


Im cosinuss° One arbeitet ein energiesparender nRF51422 von Nordic Semiconductor


Autor


Johann Papp, Field Application Engineer Wireless bei Rutronik Elektronische Bauelemente GmbH

Firmenprofil

cosinuss° ist ein junges Technologieunternehmen aus München, das am Körper tragbare Sensoren und Algorithmen zur kontinuierlichen und angenehmen Erfassung von Vitalparametern entwickelt; für Menschen, die ihre Körper fordern und folglich mehr von ihrem Körper erfahren wollen. cosinuss° bietet neben Sensoren für den Sport, auch Geräte für die Medizin und den Arbeitsschutz an, die den Puls, die Körpertemperatur und/oder die Sauerstoffsättigung des Blutes monitoren. Gegründet wurde das Unternehmen in München im September 2011 von Dr. Johannes und Greta Kreuzer. In der Zwischenzeit sind weitere Gesellschafter dazugekommen, die ihr Wissen in die Gesellschaft einbringen. Das Mitarbeiterteam umfasst zurzeit sieben Personen. cosinuss° hat mehrere Patente angemeldet.

Rutronik im swissT.net

Sektion 15: Elektronische Komponenten