Wearables, also kleine Computertechnologien, die am Körper getragen werden, sind vor allem als Aktivitätstracker bekannt, die Schritte und Kalorien zählen. Allerdings werden sie mittlerweile auch in der medizinischen Versorgung eingesetzt.
Die Wearable-Technologie kann Menschenleben retten. Denn Smartwatches helfen nicht nur dabei, fit zu bleiben, sondern benachrichtigen auch über medizinische Notfälle und informieren über den Gesundheitszustand des Trägers. Mit diesen Informationen können Krankheitsereignisse erkannt und ungewünschte Folgen verhindet werden. Nach Angaben von Wireless Quarter* nutzen weltweit 325 Millionen Menschen Wearables.
In diesem Artikel geht es darum, wie die Wearable-Technologie funktioniert, welche Komponenten sie benötigt und wie sich Wearables innerhalb eines Jahrzehnts von reinen Aktivitätstrackern zu fortschrittlichen Geräten entwickelt haben, die bei der Prävention von Krankheiten helfen. Des Weiteren werden in diesem Artikel einige führende Hersteller vorgestellt, darunter Nordic Semiconductor, dessen Doppelprozessor die Basis für die neuesten, fortschrittlichsten Wearables wurde.
Wearables in der Medizin
Mit der Entwicklung des IoT können Wearables bei einem Patienten physiologische Daten, wie z. B. Blutsauerstoff, Herzfrequenz, Sättigung, Atemfrequenz und Temperatur überwachen.
Anfangs waren sie vor allem im Fitnessbereich beliebt, doch während der Pandemie wurden Wearables zu einem wichtigen Mittel im Kampf gegen Covid-19. Daher interessiert sich die Medizin zunehmend für die Wearable Technologie, die es Ärzten ermöglicht, Patienten für eine bestimmte Zeit auch ausserhalb des Krankenhauses auf verschiedene Krankheiten hin zu überwachen. Sie spielen heute eine wichtige Rolle bei der Vorbeugung und Kontrolle vieler Krankheiten, darunter Diabetes, Bluthochdruck und Schlafapnoe, sowie bei neurokognitiven Störungen wie Parkinson und Alzheimer.
Wearables verbessern die Kommunikation zwischen dem Patienten und dem Arzt, der sich bei der Analyse des Patienten bisher nur auf die Krankenakte und die Krankengeschichte stützen musste. Ärzte und andere Gesundheitsdienstleister können die umfangreichen Gesundheitsdaten nutzen, um frühzeitige Diagnosen zu stellen, Patienten aus der Ferne zu überwachen und die Einhaltung von Medikamenten zu gewährleisten.
Künstliche Intelligenz und Maschinelles Lernen: Die Technologie hinter Wearables
Die neuesten Wearables werden von SoCs (System-on-a-Chip), SiPs (System-in-a-Package) und den Algorithmen des maschinellen Lernens (ML) angetrieben, die bei der Konstruktion der komplexesten medizinischen Wearables helfen. Dank der Datenverarbeitung in Edge-Geräten können Wearables auf zugrundeliegende Gesundheitsprobleme hinweisen und Ärzten die Informationen liefern, die sie für schnelle klinische Entscheidungen benötigen.
Die Datenverarbeitung auf Edge-Geräten wie Wearables wird immer energieeffizienter und leistungsfähiger, während die Algorithmen immer präziser und energieoptimierter werden.
– Peter Myhre, Leiter des Produktmarketings bei Nordic Semiconductors
Komponenten in der Wearable-Technologie
Intelligente Wearables nutzen eine Vielzahl von Technologien, wie z. B. Sensortechnologie, Displaytechnologie, Chiptechnologie, drahtlose Kommunikationstechnologie, Datenberechnungs- und -verarbeitungstechnologie, Stromverbrauchstechnologie, Dateninteraktionstechnologie, usw.
Da Wearables am Körper getragen werden, müssen die Systeme so robust und anpassungsfähig sein, dass sie entweder abgelegt oder notfalls auch in Kleidung und Accessoires mitgewaschen werden können.
Daher ist die Sensorintegration, Miniaturisierung und Multifunktionalität sehr wichtig. Einige der häufig verwendeten Komponenten im Design von Wearables sind:
Sensoren
Sensoren befinden sich vor allem in Wearables, die Daten über die Aktivität und physiologische Verfassung geben. Durch die Messung von Vitalwerten wie Blutsauerstoffgehalt, Körpertemperatur und Herzfrequenz erhält der Nutzer einen klaren Überblick über seine allgemeine Gesundheit und Fitnessleistung.
Es werden verschiedene Sensorarten in Wearables verwendet, wie:
- Drucksensoren
- Feuchtigkeitssensoren
- Positionssensoren
- Temperatursensoren
- Piezo-Foliensensoren
- Kraftsensoren
Mit der zunehmenden Verbreitung der Wearable-Technologie steigt auch die Nachfrage nach genaueren, kompakteren und zuverlässigeren Sensortechnologien. Deshalb entwickeln die Hersteller fortschrittlichere technische Lösungen.
Das polnische Medizin-Startup Warmie hat beispielsweise einen Sensor entwickelt, der mit dem nRF52810-SoC von Nordic Semiconductor betrieben wird und der es dem Gerät ermöglicht, mehrere Bereiche des Körpers zu untersuchen und Benutzer oder Ärzte über mögliche Gesundheitsprobleme zu informieren.
Auch TE Connectivity, ein weltweit führender Anbieter innovativer Sensotechnologie, stellt Sensoren für Wearables und Smartwatches her, die bereits in beliebten Armbändern, Uhren und Smartwear zu finden sind.
Schalter
Schalter steuern, wie viel elektrischer Strom durch einen Stromkreis fliesst und sind daher ein wesentlicher Bestandteil in der Wearable- Technologie. Zwar können sie auch als Eingabegeräte verwendet werden, um die Funktionen eines Geräts zu steuern, jedoch werden sie häufiger zum Einschalten von Geräten verwendet.
Es ist wichtig, in der Entwurfsphase den richtigen Schalter auszuwählen, da Wearables nur eine begrenzte Fläche zur Verfügung haben. Die meisten Schalter sind taktil, können aber je nach Designanforderung auch vertikal oder schräg angebracht werden.
RND bietet kleine, tragbare Kurzhubtaster, die für Tastaturen und Hochgeschwindigkeits-Datenübertragungsgeräte geeignet sind. Wenn Sie nach Seitenschaltern suchen, bietet Omron DIP -Schalter an, die abwaschbar sind und sich für kleine Computer und Handheld-Geräte eignen.
Passive Komponente
Ein passives Bauteil ist ein elektronisches Gerät, das zum Betrieb elektrische Energie benötigt. Je nachdem, wie es in einem Stromkreis verwendet wird, kann das Bauteil dann die Energie abgeben, aufnehmen oder zurückhalten. Die gebräuchlichsten Arten von passiven Komponenten sind Widerstände, Kondensatoren und Induktivitäten.
Vishay bietet professionelle Dünnfilm-Chipfestwiderständean, die sich ideal für die meisten Bereiche der modernen Präzisionselektronik eignen, in denen Stabilität und Zuverlässigkeit wichtig sind. Sie eignen sich für Anwendungen bei Präzisionsprüf- und Messgeräten, z. B. für unkritische medizinische Geräte wie Wearables.
Halbleiter
Halbleiter sind das Gehirn von Wearables; sie interpretieren Daten von Sensoren oder anderen Eingaben und liefern ein nützliches Ergebnis. Daher ist der Wearable-Boom grösstenteils auf technische Entwicklungen im Halbleitersektor zurückzuführen. Geräte wie Mikrocontroller, Dioden, Transistoren oder Zeitgeber/Zähler sind entscheidend für das ordnungsgemässe Funktionieren eingebetteter Systeme.
Die Verwendung hochempfindlicher Dioden ermöglicht zum Beispiel die biometrische Überwachung des Sauerstoffgehalts im Blut und der Herzfrequenz. Die PIN-Photodiode von Vishay ist ein flacher oberflächenmontierter Baustein (SMD) mit einem Chip, der Nahinfrarot- und sichtbares Licht mit einer Empfindlichkeitsfläche von 5,4 mm² erfassen kann.
Die Clock-Oszillatoren von IQD (Teil der Würth Elektronik eiSos Group) arbeiten mit niedrigen Spannungen und ermöglichen es Systementwicklern, Systeme mit einer gemeinsamen Versorgungsschiene zu entwickeln. Da die neuen Designs immer kleiner werden, können sie für Wearables verwendet werden.
Die Oszillatoren der Serie IQXO-691 eignen sich beispielsweise perfekt für den Einsatz in Designs, bei denen eine längere Batterielebensdauer wichtig ist, wie z. B. bei tragbaren Testgeräten, USB-Schnittstellen, WLAN und tragbaren Anwendungen.
Steckverbinder
In der Wearable-Technologie können Steckverbinder für Antennen, Sensoren, Netzgeräte, Batterieanschlüsse, Board-to-Board, Wire-to-Board und Wechselspeichergeräte verwendet werden. Sie verbinden Peripheriegeräte mit dem Hauptgerät und ermöglichen einfache Reparaturen, falls eine Komponente ausfällt.
Mit dem USB 3.1 Typ-C- Stecker von Molex profitieren Sie von ausgezeichneter Zuverlässigkeit und gewährleisten dank des Mid-Plate-Steckerzungen-Designs eine hohe Haltbarkeit und vermeiden, dass der Stecker beschädigt wird. Der Stecker wurde entwickelt, um robuste und zuverlässige Leistung für Wearables, das Internet der Dinge und andere Hochgeschwindigkeits-Daten-E/A-Anwendungen zu bieten.
HF & Antennen
Die meisten modernen Wearables sind in das Internet der Dinge integriert und benötigen je nach HF-Technologie Antennen. Bei der Antenne kann es sich um eine SMD-Antenne, eine fest mit der Leiterplatte verdrahtete Antenne oder, in äusserst seltenen Fällen, um eine externe Antenne handeln.
Für jede Gerätekonfiguration gibt es verschiedene Antennen, HF- und Kommunikationsmodule, z. B. erhöhen die GPS/GNSS-Antennen die Zuverlässigkeit der drahtlosen Positionierungsverbindungen.
Stromversorgung
Ausserdem benötigen die meisten Wearables einen Stromanschluss zum Aufladen des Akkus sowie einen Akkustecker, z. B. einen Knopfzellenhalter oder einen 2-Draht- oder 3-Draht-Anschluss für einen LiPo-Akku. Die meisten Wearables verwenden USB- Anschlüsse zum Aufladen, gelegentlich entwickeln die Hersteller aber auch einen eigenen, exklusiven Anschluss.
Entwicklungsboards
Aufgrund der geringen Grösse gelten für Leiterplatten für Wearables andere Standards als für herkömmliche Leiterplatten. Bei der Auswahl der richtigen Leiterplatte sind viele Faktoren zu berücksichtigen, wie z. B. das Material der Leiterplattenoberfläche, das HF-/Mikrowellen-Design und die HF-Übertragungsleitungen. Glücklicherweise gibt es einige Hersteller, die Platinen entwickeln, die für die Wearable-Technologie geeignet sind.
Der nRF5340 SoC von Nordic Semiconductor bietet Entwicklern von Wearables einen leistungsstarken Anwendungsprozessor sowie einen vollständig programmierbaren Netzwerkprozessor mit extrem niedrigem Stromverbrauch. Das duale Design des Prozessors macht ihn ideal für komplizierte IoT-Anwendungen wie Geräte im Gesundheitswesen. Mit Sicherheitsfunktionen, ML und künstlicher Intelligenz (KI) ist es einfacher, den konstanten Datenstrom moderner Wearables zu verwalten.
Neben Nordic Semiconductor gibt es noch andere Hersteller, die Lösungen für Wearables anbieten. Diese finden Sie unten in unserer Produktempfehlung.
Produktempfehlungen
nRF52840 Mini Bluetooth Entwicklungsboard, SparkFun
Das SparkFun Pro nRF52840 Mini Bluetooth Entwicklungsboard wurde mit dem nRF52840 HF System-on-Chip (SoC) von Nordic Semiconductor entwickelt und bietet eine leistungsstarke Kombination aus einer ARM Cortex-M4 CPU und einem 2,4 GHz Bluetooth-Funkgerät.
Tragbare elektronische Plattform, Adafruit
GEMMA, ist eine voll funktionsfähige Plattform für tragbare Elektronik. Sie besteht aus einem kreisförmigen, Mikrocontroller, der vernäht werden kann, Arduino-kompatibel und für unglaubliche Wearable-Projekte geeignet ist.
Tactigon Wireless Wearable Development Board mit Bewegungssensor, Next Industries
Die TACTIGON ONE ist eine programmierbare Platine für hochpräzise 3D-Gestensteuerung, Bewegungserfassung, GPS-Tracking und Schwingungsmessungen. Sie ermöglicht eine schnelle Programmierung und Implementierung mit dem Arduino SDK und ist damit perfekt für IoT-Anwendungen, Wearables und KI-Projekte.
LilyPads, SparkFun
LilyPads von SparkFun sind ein E-Textil, das getragen werden kann und mit großen Verbindungspads versehen ist, so dass es in Kleidung eingenäht werden kann.
*Quelle: „Alive & Ticking: Advanced Wearables Better Health Outcomes“, Wireless Quarter, Ausgabe 1, 2022
FAQs
Wearable Healthcare-Technologie ist Technologie, die Informationen erfassen, übertragen und verarbeiten kann, während sie vom Patienten getragen wird. Es ermöglicht dem medizinischen Personal, Informationen über den Gesundheitszustand des Patienten aus der Ferne zu erhalten. Ausserdem sind tragbare Geräte heute von entscheidender Bedeutung für die Vorbeugung und Behandlung einer Vielzahl von Krankheiten wie Diabetes, Bluthochdruck, Schlafapnoe oder sogar neurokognitiver Störungen wie Parkinson und Alzheimer.
Die Fitness-Tracker verwenden einen Drei-Achsen-Beschleunigungsmesser, um die Körperbewegung kontinuierlich zu erfassen. Der Tracker kann feststellen, ob sich die Person vorwärts bewegt, schnell läuft oder einfach nur stillsteht, da die Daten kontinuierlich aufgezeichnet werden, während er getragen wird und eingeschaltet ist.
Fitness-Tracker, Blutdruckmessgeräte und Biosensoren sind einige Beispiele für Wearables im Gesundheitswesen. Die Daten von Wearables wie Fitness-Trackern, Smartwatches, EKG-Monitoren, Blutdruckmessgeräten und Biosensoren können bei der Vorhersage bestimmter Gesundheitsprobleme helfen, z. B. bei Asthmaanfällen und COPD-Schüben.
DerSmart Wearables Global Market Report 2022 analysiert den Smart Wearable Markt im asiatisch-pazifischen Raum, in Westeuropa, Osteuropa, Nordamerika, Südamerika, den Nahen Osten und in Afrika. 2021 war der asiatisch-pazifische Raum der grösste Markt für Smart Wearables, gefolgt von Nordamerika.
Die Wearable-Technologie hat sich zu einem der am schnellsten wachsenden Sektoren entwickelt. Zwischen 2022 und 2030 wird der Markt für Wearables voraussichtlich mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 13,89 % wachsen. Angefangen bei Fitness-Trackern bis hin zu komplizierten Geräten kann die Wearable-Technologie jetzt Leben retten.