Drahtlose, energieautarke IoT-Infusionsüberwachung mit geringen Integrationskosten
Autoren: Grujic, Kann, Skibbe, Schütz
Hintergrund
Zunehmend effizientere Produktions- und Fertigungsverfahren ermöglichen die Herstellung von kostengünstiger Hardware mit leistungsstarken Rechenwerken und vielfältigen Kommunikationsmöglichkeiten. Durch das Internet der Dinge (englisch: Internet of Things, kurz: IoT) kommen zunehmend eingebettete Systeme zum Einsatz, welche den Anwender aktiv unterstützen. Im Gegensatz dazu führen Einsparungen im Gesundheitswesen zu Personalabbau und der stärkeren Auslastung des Personals, sodass die mögliche Betreuungszeit pro Patient stetig abnimmt. Um trotz dessen weiterhin eine ausreichende Betreuung zu ermöglichen, soll das Pflegepersonal durch solche intelligenten Geräte unterstützt werden.
Das Verabreichen von Infusionen stellt für die Belegschaft einer Pflegeeinrichtung ein täglich zu bewältigendes Problem dar. Ein Großteil dieser Infusionen sind Schwerkraftinfusionen, welche ohne Infusionspumpen oder andere technische Apparaturen angeschlossen werden.
Diese Infusionen können bisher nur durch die Beobachtung durch das Pflegepersonal auf Funktionseinschränkungen überprüft werden. Dies ist sowohl mit höherem Arbeitsaufwand für das Pflegepersonal als auch mit dem Unwohlsein des Patienten, z.B. bei Problemen oder dem Leerlaufen der Infusion, verbunden.
Zielsetzung
Es wird ein IoT-System zur Überprüfung von Infusionen entwickelt, welches kostengünstig und energieautark arbeitet. Mit Hilfe des Systems soll ein zentraler Überblick über die Zustände aller Infusionen ermöglicht werden, um das Pflegepersonal zu entlasten.
Das System soll in bereits vorhandene Netzwerkarchitekturen integrierbar sein, jedoch auch gegebenenfalls ohne diese auskommen können.
Umsetzung
Die Umsetzung erfolgt unter dem Projektnamen WiFusion und beinhaltet ein System bestehend aus einer oder mehreren Sensoreinheiten, im Folgenden als WiFusion Sense bezeichnet, und einer oder mehrerer Knotenpunkt-Einheiten, im Folgenden als WiFusion Node bezeichnet.
Abb.1: WiFusion Sense mit Infusionsbeutel
Sensoreinheit WiFusion Sense
Die WiFusion Sense, bestehend aus Sensor-, Energy Harvesting- und Kommunikationsmodul dient zur Ermittlung des aktuellen Füllstandes des Infusionsbeutels. Die Einheit ist so ausgelegt, dass die Messung, Umrechnung und Übertragung über die Versorgung mittels Solarzelle erfolgen kann.
Die Messung des Füllstandes erfolgt über die Auswertung einer Wägezelle. Die Wägezelle besteht aus einem Biegebalken mit vier Dehnungsmesstreifen, welche als Wheatstonesche Messbrücke verschaltet sind. Die Messung des Gewichtsgradienten erfolgt über die Auswertung der Brückenspannung. Hierfür wird die Brückenspannung zunächst über eine Verstärkerschaltung auf einen auswertbaren Pegel skaliert und anschließend über einen Digital-Analog-Umsetzer in einen digitalen Wert umgewandelt und an einen Mikrocontroller übertragen.
Um einen möglichst großen Messbereich abzudecken und dennoch im kritischen Füllstandsbereich, welcher die letzten Milliliter der Infusion beinhaltet, eine hohe Auslösung zu realisieren ist der Skalierungsfaktor der Messverstärkung digital anpassbar ausgeführt und ermöglicht so das Umschalten zwischen mehreren Messbereichen bzw. Messauflösungen.
Eine entscheidende Rolle für die Messung der Gewichtsänderung spielt die Versorgungsspannung der Messbrücke. Da die WiFusion-Sense Einheit energieautark ausgelegt ist, kann keine stabile Versorgungsspannung vorausgesetzt werden. Die Verwendung von kapazitiven Energiespeichern ermöglicht das Überbrücken von Spannungseinbrüchen, zum Beispiel im Falle der Abschattung der Solarzelle. Zusätzlich wird innerhalb der Sensoreinheit aus der schwankenden Versorgungsspannung eine konstante Referenzspannung generiert, sodass die Schwankungen der Versorgungspannung nahezu keinen Einfluss auf die Messung nehmen.
Für die Kommunikation von Sensor und Knotenpunkt wird das Bluetooth Low Energy Protokoll eingesetzt. Die Firmware der Sensoreinheit sowie alle verwendeten Bausteine wurden so gewählt, dass diese möglichst wenig Energie verbrauchen. Hierdurch ergab sich bei normaler Bürobeleuchtung eine Messrate von bis zu Zehn Messungen pro Minute. Dies ist mehr als ausreichend für den vorgesehenen Verwendungsfall. Für die Versorgung der Sensoreinheit über lange Dunkelphasen (Nachtzyklus) kann das System mit einer Kopfzelle, einem Supercap/Goldcap oder einem Akku ausgestattet werden.
Abb.2: WiFusion Sense 3D Animation
Knotenpunkt WiFusion Node
Die WiFusion Node stellt das Verbindungsglied zwischen einem oder mehreren Sensoreinheiten und der gegebenenfalls vorhandenen Netzwerkarchitektur dar. Für den Empfang der Messdaten wird ein Bluetooth-Empfänger verwendet, welcher zeitgleich die Messwerte mehrerer WiFusion Sense Einheiten verarbeiten kann. Durch das verwendete Übertragungsprotokoll können die empfangenen Messwerte den einzelnen Sensoren zugeordnet werden.
Die Messwerte können anschließend über das IEEE 802.11 Protokoll in eine vorhandene Netzwerkarchitektur eingegliedert werden. Ist keine Netzwerkarchitektur vorhanden, kann die WiFusion Node auch als Mesh-Netzwerk konfiguriert werden. Hierbei bilden die einzelnen Kontenpunkte ein Netzwerk und leiten die Daten anschließend an eine Zentraleinheit weiter. Für die Zentraleinheit wurde eine rudimentäre Software zur Visualisierung der Messdaten entwickelt, welche ebenfalls als Server für die Messdaten fungiert.
Die WiFusion Node wurde so ausgelegt, dass möglichst wenig Bauraum benötigt wird. Um die Integrationskosten so gering wie möglich zu halten, kann die Einheit, kombiniert mit Leuchtdioden, als Leuchtmittel eingesetzt werden. Die Versorung der WiFusion Node Einheit erfolgt hierbei über den Lampensockel.
Abb.3: Beispielhafte Anwendung des WiFusion-Systems im klinischen Umfeld