Miniaturisierung in Wearables - Chancen und Herausforderungen für die Hardwareentwicklung
Als Beginn der Erfassung von Vitalparametern mithilfe von Wearables kann man die Fitnessuhren von Polar in den 80ern sehen, die Kreislaufdaten anzeigen konnten, die mit einem Brustgurt gemessen wurden. Im Jahr 2006 kam das Nokia 5500 Sport auf den Markt das mithilfe eines 3D-Beschleunigungssensors Bewegung erfassen konnte. 2007 wird Fitbit gegründet, wohl jeder verbindet Fitnessarmbänder mit dem US-Unternehmen. Am Anfang handelte es sich noch um einen Schrittzähler, der an der Hose getragen wurde. Die Fitnessarmbänder können später die Herzfrequenz messen oder den Schlaf überwachen.
Apple steigt in den Markt 2015 mit der Apple Watch ein, die Herzfrequenzmessung, Schlafanalyse und GPS-Tracking beinhaltet. Es folgen weitere Hersteller wie Xiaomi, Samsung oder Garmin. Dabei wurden die Geräte um immer mehr Funktionen erweitert wie etwa EKG-Messungen, die Akkulaufzeiten verlängert und das Design verkleinert sowie das Gewicht reduziert.
Auf die Spitze der Miniaturisierung trieb das Ganze dann das finnische Unternehmen Oura, welches all diese Funktionen in einen Smart Ring integrierte.
Polar Sport Tester PE 2000 | 1977
FitBit Inspire 3 | 2022
Oura smart Ring Gen. 4 | 2024
Ursprüngliche FitBit als Hosenclip | 2009
Wearables in der Gesundheitsüberwachung
Dabei sind die Anwender nicht mehr nur Athleten und Hobby Sportler, die ihre Leistung verbessern wollen, sondern die Wearables finden auch Anwendung in der Gesundheitsüberwachung. Neben den oben beschriebenen Funktionen können auch die Sauerstoffsättigung, Körpertemperatur, Atemfrequenz, Blutdruck, elektrodermale Aktivität und Blutzuckerspiegel überwacht werden. Stürze können erkannt werden. Aber auch Herzrhythmusstörungen und Herzfrequenzvariabilität können über die EKG-Funktion aufgezeichnet werden. Davon können Ältere oder Menschen mit chronischen Erkrankungen besonders profitieren. Zum Beispiel Menschen mit der Parkinsonkrankheit, wie wir auch schonmal in diesem Blogartikel vorgestellt haben.
Warum Miniaturisierung in Wearables entscheidend ist
Die Miniaturisierung bringt große Vorteile mit sich, auf die wir nun etwas näher eingehen. Zuallererst steigert es den Komfort und die Akzeptanz, denn je unauffälliger und bequemer das Wearable ist, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass es dauerhaft getragen wird. Somit wird ein kontinuierliches Monitoring der Gesundheitsdaten ermöglicht. Würden sie lieber den Oura Ring anstecken oder jeden Tag einen Brustgurt anlegen?
Neue Anwendungsfelder durch kompakte Bauformen
Durch die kleinere Bauform werden auch neue Anwendungsgebiete erschlossen. Neben der kontinuierlichen Überwachung von Schlaf und Aktivität mittels Tracker am Handgelenk können auch Hearables eingesetzt werden, also Biomonitoring mithilfe von Kopfhörern.
Technische Herausforderungen der Miniaturisierung für Hardwareentwickler
Die Größe unserer Platine für einen Ganganalysesensor
All diese Funktionen in ein möglichst kleines Gehäuse zu integrieren stellt die Hardwareentwickler zunehmend vor große Herausforderungen.
Zu Beginn wäre da das Problem der Energieversorgung. Die Funktionalität erweitert sich, meist ist eine Bluetooth Integration mit App Standard. Der winzige Akku muss nicht nur die Sensoren sondern auch die leistungsfähige CPU sowie Funkmodule und eventuell ein Display mit Strom versorgen. Dabei setzt man v.a. auf energieeffiziente low-power-Prozessoren, aber auch Energieharvesting kann genutzt werden. Dabei wird Energie zum Beispiel aus der Bewegung des Anwenders gewonnen.
Wenn Sensoren, Antennen und Prozessoren auf immer kleineren Leiterplatten Platz finden muss das Layout genauestens durchdacht sein. Sonst kann es schnell zu Signalinterferenzen oder elektromagnetischen Störungen kommen.
Die Größe des Wearables wird maßgeblich von der Größe der Komponenten beeinflusst. Bei elektronischen Bauteilen ist die Miniaturisierung seit jeher ein Thema. Wir haben selbst schon Sensoren und Prozessoren in BGA-Bauformen mit 0,35 mm Pitch verwendet.
Bei der Entflechtung solcher Bauteile kommen spezielle Techniken wie Stacked Microvias oder Buried-Vias zum Einsatz, die hohe Anforderungen an den Herstellungsprozess der Leiterplatten zur Folge haben und damit auch die Kosten steigen lassen
Praxisbeispiel: Miniaturisierte Sensorik in der mobilen Ganganalyse
Eines der Beispiele für den Nutzen der Miniaturisierung ist die moderne Ganganalyse wie im Blogartikel über Portabiles (zum Blog) besprochen. Früher war diese auf spezielle Labore mit teuren Hochgeschwindigkeitskameras und Kraftmessplatten beschränkt. Heute steckt diese Technologie in einer cleveren Schuh-Einlegesohle oder einem Sensor am Schuh. Diese Entwicklung revolutioniert präventive Medizin, Sport und Rehabilitation.
In einem Sensor für die Ganganalyse können viele Sensoren stecken, ein Beschleunigungssensor in Kombination mit Gyroskop misst die Beschleunigung und Rotation. Diese Daten können dann z.B. mit einem Magnetometer oder Drucksensoren erweitert werden.
Mithilfe von Algorithmen können die Daten aussagekräftige Informationen über Schrittlänge, Ganggeschwindigkeit, Rhythmus, Symmetrie oder sogar die Bewegungsfreiheit von Gelenken liefern.
So können diverse Krankheitsbilder frühzeitig entdeckt bzw. behandelt werden.
1. Neurologische Erkrankungen & neurodegenerative Erkrankungen
- Morbus Parkinson (Kniegelenk) [1]
- Alzheimer und andere Demenzerkrankungen [2]
- Multiple Sklerose [3]
2. Orthopädische und Muskuloskelettale Erkrankungen
- Arthrose (Kniegelenk) [4]
- Chronische Rückenschmerzen [5]
3. Sturzprävention bei älteren Menschen [6]
4. Sport und Leistungsoptimierung [7]
5. Rehabilitation nach Verletzungen [8]
Fazit: Miniaturisierung als Schlüssel zur nächsten Generation medizinischer Wearables
Die Reise der Wearables – von den klobigen Brustgurten der 80er bis zur Ganganalyse-Elektronik in der Einlegesohle – ist eine beeindruckende Erfolgsgeschichte der Miniaturisierung. Sie hat diese Geräte von Nischenprodukten für Athleten zu allgegenwärtigen Begleitern transformiert, die tiefe Einblicke in unsere Gesundheit und unser Wohlbefinden ermöglichen. Doch wie dieser Artikel gezeigt hat, ist dieser Weg alles andere als trivial.
Die gesteigerte Nutzerfreundlichkeit und das zurückhaltende Design moderner Medizintechnik tragen entscheidend zur Akzeptanz im Alltag bei. Dadurch entstehen kontinuierlich erfasste, qualitativ hochwertige Gesundheitsdaten – eine essenzielle Grundlage für neue klinische Anwendungen.
Für die Hardwareentwicklung bedeutet das: maximale Funktion auf minimalem Raum bei streng limitiertem Energiebudget. Die Anforderungen treiben die Entwicklung in hochspezialisierte Bereiche – etwa ultra-effiziente Low-Power-Chips und Energiemanagementsysteme. Daneben ist für effiziente Produktentwicklung auch noch Know-How der Prozesse in der Medizintechnik und der Dokumentation und Anforderungen für die Zulassung nötig.
Das ist genau die Schnittstelle, in der wir uns bei MEDtech Ingenieur bewegen. Wir unterstützen Sie gerne bei der Miniaturisierung Ihrer Hardware für Ihr Medizinprodukt der nächsten Generation.
Letztendlich ist die Miniaturisierung in Wearables daher weit mehr als nur eine technische Spielerei, sondern eine wichtige Säule, um Technologie nahtlos und unsichtbar in unser Leben zu integrieren.
Benötigen Sie Unterstützung bei der Miniaturisierung ihrer Hardware oder bei den damit verbundenen Herausforderungen? Oder haben Sie Interesse an einem Wearable für die Ganganalyse? Dann kontaktieren Sie uns gerne hier.
Quellen
[1] Del Din, S. et al. (2021). Gait analysis with wearables can accurately classify fallers from non-fallers in Parkinson’s disease.
[2] Mc Ardle, R., et al. (2020). Differentiating dementia disease subtypes with gait analysis: feasibility of wearable sensors?
[3] Moon, Y., et al. (2020). Monitoring gait in multiple sclerosis with novel wearable motion sensors.
[4] Kobsar, D., et al. (2020). Wearable Inertial Sensors for Gait Analysis in Adults with Osteoarthritis—A Scoping Review.
[5] Van Dijke, J., et al. (2021). A wearable device for functional gait monitoring in patients with chronic low back pain
[6] Schwenk, M., et al. (2019). Interactive Balance Training Integrating Sensor-Based Wearables for Fall Prevention in Older Adults - A Pilot Study.
[7] Willy, R. W., & Davis, I. S. (2023). The Use of Wearable Sensors for Preventing, Assessing, and Informing Recovery from Athletic Injuries.
[8] Johnston, W., et al. (2021). A Wearable Sensor Platform for Objective Monitoring of Function in ACL-Reconstructed Patients.