Bio-Patches sind kleine, auf die Haut aufklebbare Einmalpflaster mit integrierter Elektronik, die Parameter wie Hauttemperatur oder Puls von Anwendern überwachen. Eine Bio-Patch-Lösung besteht aus einem Sensor samt der zugehörigen Signalaufbereitung, einer Signalverarbeitungs-Einheit, dem Datenaufzeichnungs-Teil und dem Power-Management für das gesamte System. Wichtig bei Bio-Patches ist, dass sie möglichst klein sind. Auch eine maximale Energieeffizienz und eine möglichst lange Batterielebensdauer stehen ganz oben auf der Prioritätenliste. Da die Übertragung der Daten vom Bio-Patch an die weiterverarbeitenden Instanzen drahtlos erfolgen soll, ist es notwendig, die Funk-Schaltungen auf größtmögliche Effizienz zu trimmen und auf die Nutzungsweise abzustimmen. Hierbei gilt es zwei Fälle zu unterscheiden.
Im ersten Fall überträgt das Bio-Patch die Rohdaten an einen Hub, der die Daten aufbereitet und visualisiert. Diese Variante ist durch lange aktive Phasen der drahtlosen Kommunikations-Funktionen gekennzeichnet, die somit viel Strom verbrauchen. Im zweiten Teil befindet sich der Signalaufbereitungs-Algorithmus im Bio-Patch selbst, und die Informationsübertragungen erfolgen in größeren Zeitabständen. Meist reicht der Transfer von Datenpaketen, die die Änderung einer physiologischen Größe wiedergeben. Bei dieser zweiten Variante müssen der Verarbeitungsaufwand und die Energieeffizienz der Datenaufzeichnung genau im Blick behalten werden.
Den Einfluss der Funk-Betriebszyklen auf die Batterielebensdauer macht Abbildung 1 deutlich. Je kürzer die Zyklen werden, umso größer wird der Einfluss der anderen Systemkomponenten auf die Energieeffizienz des Gesamtsystems. Im Kontext dieses Gesamtsystems spielt wiederum die Datenaufzeichnung eine wichtige Rolle. Ein Vergleich der beiden nichtflüchtigen Speichertechnologien Flash-Speicher und FRAM (Ferroelectric Random Access Memory) soll dies verdeutlichen. Bei einem FRAM-Speicher, der sich ähnlich wie ein DRAM verhält, kann auf jedes einzelne Bit zugegriffen werden.
FRAM versus Flash und EEPROM
Anders als Flash oder EEPROM erfordert FRAM weder einen besonderen Ablauf beim Schreiben der Daten noch eine Ladungspumpe zum Erzeugen höherer Programmierspannungen. 1,5 V reichen aus, während Flash und EEPROM 10 bis 14 V benötigen. Grundlage des ferroelektrischen Effekts sind die elektrischen Dipole, die von den Zirkon(Zr)- und Sauerstoff(O)-Atomen in den keramischen Blei-Zirkonat-Titanat-Kristallen (PZT) der FRAM-Zellen gebildet werden. Ein elektrisches Feld bewirkt eine Polarisation mit einem Hysterese-Effekt, wenn sich das Zr-Atom mit zunehmender Feldstärke innerhalb des PZT-Kristalls bewegt.
Größere Haltbarkeit
Der Hysterese-Effekt entsteht durch die Wechselwirkung des Zr-Atoms mit den O-Atomen. Entsprechend der Polarität des elektrischen Feldes wird das Zr-Atom von einer Richtung in die andere bewegt. Im Unterschied zum magnetischen Hysterese-Effekt beeinflussen externe Magnetfelder die Polarisations-Hysterese des PZT-Moleküls nicht. Da das Zr-Atom seine Position ausschließlich beim Anlegen eines elektrischen Feldes verändert, ist die gespeicherte Information nichtflüchtig, bleibt also auch ohne Versorgungsspannung erhalten.
Das hier zur Informationsspeicherung verwendete Phänomen hat zur Folge, dass eine FRAM-Speicherzelle, wenn überhaupt, nur in geringstem Ausmaß einem Verschleiß unterliegt und eine mehr als eine milliardemal größere Haltbarkeit erreicht als ein Flash-Speicher. Hinzu kommt eine tausendmal höhere Strahlungsfestigkeit (z. B. gegen Gammastrahlen) als bei Flash oder EEPROM-Speichern. Ein Schreibzugriff auf eine FRAM-Zelle ist ohne vorherigen Löschzyklus möglich. Da die Polarisation des Moleküls innerhalb von einer oder zwei Nanosekunden erfolgt, geht ein Schreibvorgang außerdem ungefähr tausendmal schneller vonstatten als bei den anderen eben erwähnten nichtflüchtigen Speichern.
FRAMs zeichnen sich abgesehen von ihren dynamischen Zugriffseigenschaften und ihrer Nichtflüchtigkeit außerdem durch eine Geschwindigkeit aus, die auf dem Niveau von SRAMs liegt. Man bezeichnet sie deshalb häufig als Universalspeicher, da man sie während ihrer Nutzungszeit beliebig als Daten- oder Programmspeicher verwenden kann. Designer können ihre Software also völlig freizügig gemäß ihren spezifischen Anforderungen schreiben, ohne dass sie dabei durch die Kapazität des Datenspeichers eingeschränkt werden. Der Vorteil, dass keine vom jeweiligen Mikrocontroller vorgegebene Einteilung in Programm- und Datenspeicher beachtet werden muss, wird von keiner anderen Embedded-Memory-Technologie geboten.
Batterielebensdauer eines Bio-Patch
Betrachten wir nun den Fall, dass die gesammelten Sensordaten in einem nichtflüchtigen Speicher (FRAM oder Flash) abgelegt werden. Zunächst einmal ist anzumerken, dass Flash-Speicher höchstens 10.000 Schreibzyklen überstehen, während die Zahl bei FRAM in die Milliarden geht. Um beide Speichertechnologien hinsichtlich ihrer Energieeffizienz zu vergleichen, legen wir die Werte in untenstehender Tabelle zugrunde.
Mit diesen Werten wird die Batterielebensdauer eines Bio-Patch mit Datenaufzeichnung berechnet. In der Berechnung wird der Löschzyklus des Flash-Speichers berücksichtigt. Um einen einheitlichen Funk-Betriebszyklus zu erhalten, wird die zu übertragende Datenmenge begrenzt. Wie aus Abbildung 2 zu ersehen ist, beeinflusst die Datenaufzeichnung im FRAM die Gesamt-Batterielebensdauer auch dann nicht, wenn der Sensor für den jeweiligen Zyklus 32 Bytes erfasst. Im Unterschied dazu wird die Batterielebensdauer des Bio-Patch bei der Verwendung von Flash-Speicher gravierend verringert, nämlich um bis zu 30 Prozent (bei 32 Bytes).
FRAM bietet noch mehr Gelegenheiten, den kommunikationsbedingten Energieaufwand zu senken. Der Sensor kann seinen Datenbestand fortlaufend anpassen und beispielsweise Daten verwerfen, wenn sie keine wesentliche Änderung gegenüber den Trends während eines vorgegebenen Erfassungszeitraums bedeuten. Der geringe Energieaufwand des Algorithmus erlaubt dem System sogar das Aufstellen prädiktiver Zeitreihenmodelle. Diese setzen zum Erzielen der erforderlichen Genauigkeit einen erheblichen Umfang an historischen Daten voraus und lassen sich nur mit sehr stromsparenden Speichern wie zum Beispiel FRAM realisieren, um die lokale Speicherung zu nutzen. Die Energieersparnis resultiert daraus, dass weniger Daten drahtlos übertragen werden müssen.
Der niedrigere Energieverbrauch von FRAM-Speichern ermöglicht auch ein Zusammenfassen von Sensordaten mithilfe von Hashtabellen, die meist zu groß für eine Verarbeitung in RAM sind. FRAM-basierte Datenmanagement-Konzepte können diese Hashtabellen dagegen zu niedrigen Energiekosten speichern, was der Leistungsfähigkeit des gesamten Systems zugutekommt.
Signalkette und -aufbereitung
Um die Signalkette des Bio-Patch abzurunden, betrachten wir nun den Einfluss der Signalaufbereitung auf die Energieeffizienz-Rechnung. Eine adaptive Signalaufbereitung im Analog Front End vor der Analog-Digital-Umwandlung reduziert den Rechenaufwand für den Mikrocontroller, dessen aktive Phasen damit auf ein Minimum reduziert werden können. Illustrieren lässt sich dies an einem typischen EKG-Signal. Hier lässt sich die Abtastrate des ADC (und damit die Energieeffizienz) optimieren, indem man diejenigen Zeitspannen identifiziert, in denen sich das Signal signifikant ändert. Weitere Verbesserungen sind möglich, wenn man etwaige Transienten entfernt, bevor das Signal an den ADC gelangt. Würden die Transienten mitverarbeitet, wäre ein höher auflösender und mehr Strom verbrauchender ADC nötig.
Transponder für Low-Power
Texas Instruments hat ein NFC-Sensortransponder-SoC speziell für die Low-Power-Anforderungen von Bio-Patches entwickelt. Der Transponder des Typs RF430FRL15xH kombiniert einen sparsamen 16-Bit-Prozessorkern des Typs MSP430 mit den Vorteilen des FRAM-Speichers zur Daten- und Codespeicherung. Im Baustein enthalten sind außerdem ein 14-Bit-Sigma-Delta-ADC für den Anschluss externer Sensoren und ein ISO-15693-konformes NFC/RFID-Interface für den passiven (batterielosen) Betrieb, bei dem Energie aus dem vom Lesegerät erzeugten elektromagnetischen Feld geerntet wird.
Insgesamt entsteht auf diese Weise eine hochgradig optimierte Lösung, die in Anwendungen mit Datenaufzeichnung für eine längere Batterielebensdauer sorgt und in Applikationen, die nur bei Bedarf aktiviert werden, einen komplett batterielosen Betrieb gestattet.
