Entwicklung digitaler Therapeutika

Umsetzung verlässlicher Verbindungen: Entwicklung von Wearables für digitale Therapeutika

David Pike für Mouser Electronics

Angesichts der Weiterentwicklung des Gesundheitswesens verwundert es längst nicht mehr, dass Ärzte laut über die Verwendung digitaler Therapeutika nachdenken. (Gedanke: „Dafür gibt es eine App.“). Digitale Therapeutika werden in medizinischen Behandlungen verwendet, die mithilfe von Software-Programmen, Apps und digitalen Plattformen verabreicht werden. Diese innovativen Systeme zielen auf die Verbesserung und Behandlung verschiedenster Gebrechen und Erkrankungen mithilfe medizinischer Fernversorgung ab.

Diese Systeme verwenden digitale Technologien, um Behandlungen zu verabreichen oder Maßnahmen zu setzen, und kommen in zahlreichen medizinischen Fachgebieten zum Einsatz. Bereiche wie kognitive Verhaltenstherapie, Achtsamkeitstraining, Medikationsmanagement und Physiotherapie profitieren von diesem neuen Betreuungsansatz.

Das Herzstück digitaler Therapeutika bildet eine Reihe drahtloser Netzwerkgeräte, die Behandlungsmaßnahmen erfassen, nachverfolgen und verabreichen. Dazu gehören interaktive Tools, Sensoren und Wearables, die Patientenfortschritte überwachen und personalisierte Rückmeldungen liefern, um Benutzer beim Umgang mit ihren Erkrankungen effizient zu unterstützen.

Diese neue Generation verbundener Geräte wird ermöglicht durch die Machine-to-Machine- oder M2M-Kommunikation, die im Zentrum des Internets der Dinge (Internet of Things, IoT) steht. Über das IoT teilen Geräte Daten miteinander, die dann analysiert werden, um Patienten Diagnosen und Behandlungen zur Verfügung zu stellen.

Durch die Einführung des drahtlosen 5G-Netzes wurden diese Möglichkeiten zusätzlich erweitert. In Verbindung mit Fortschritten in der Behandlungstechnologie wie Nebulisatoren und Insulinabgabesystemen ist es Patienten nun möglich, vollständige medizinische Versorgungen bequem in den eigenen vier Wänden in Anspruch zu nehmen.

Diese Geräte haben mit den großformatigen und sperrigen Apparaten in Krankenhäusern nur wenig gemein. Die miniaturisierte Elektronik brachte eine neue Generation tragbarer Technologie mit sich, wodurch Patienten unter Beobachtung bzw. in Behandlung nicht länger aus ihrer Alltagsroutine gerissen werden.

Digitale Therapeutika können eigenständig oder zusammen mit herkömmlichen Therapien und Medikationen verwendet werden, um Patientenergebnisse zu verbessern, Gesundheitskosten zu verringern und eine bequeme und zugängliche Versorgung zu bieten. Sie haben ihre Effizienz im Umgang mit Erkrankungen wie Diabetes, Bluthochdruck oder Depression bewiesen, und helfen zudem Patienten mit Angststörungen, Suchtmittelabhängigkeiten oder chronischen Schmerzen.

Vorteile

Der Medizinsektor wartet nur darauf, das Potential digitaler Therapeutika auszuschöpfen, da sie gegenüber herkömmlichen Behandlungen zahlreiche Vorteile bieten. Der wichtigste und wahrscheinlich offenkundigste liegt in ihrer Zugänglichkeit. Entsprechend ihrem Wesen werden digitale Therapeutika online zur Verfügung gestellt, weshalb unter der Voraussetzung einer Internetverbindung ortsunabhängig auf sie zugegriffen werden kann. Plötzlich haben Patienten Zugang zu Behandlungen, die für sie zuvor womöglich unerreichbar waren, entweder aufgrund großer Entfernung, eingeschränkter Mobilität oder anderer Ursachen.

Dieses Online-Angebot führt außerdem zu bedeutend mehr Bequemlichkeit. Aus diesem Grund erkennen sogar Patienten, denen herkömmliche medizinische Dienstleistungen uneingeschränkt zur Verfügung stehen, dass die Benutzerfreundlichkeit digitaler Therapeutika ihr Leben verändert.

Der Software-basierte Charakter vieler dieser Geräte macht individuellere Patientenerfahrungen und maßgeschneiderte Behandlungslösungen möglich, die punktgenau auf die spezifischen Bedürfnisse jedes einzelnen Patienten zugeschnitten sind. Digitale Therapeutika erhöhen außerdem die Einhaltung seitens der Patienten, indem sie Benutzern interaktive Tools und Ressourcen zur Verfügung stellen, mit deren Hilfe sie eine aktive Rolle in ihrer eigenen Gesundheitsversorgung spielen. Dafür stehen stellvertretend die jüngsten Diabetes-Überwachungssysteme, die es Benutzern erlauben, ihre Blutzuckerwerte in Echtzeit abzurufen.

Diese neue Technologie hat das Potenzial, eine kosteneffiziente medizinische Versorgung zu ermöglichen, indem sie den Zugang zu Gesundheitsleistungen für Patienten erschwinglicher macht. Patienten, die zuhause medizinisch versorgt werden, ersparen sich teure Arztbesuche. Zudem wirkt sich dies positiv auf die klinischen Ergebnisse von Patienten aus, die dank digitaler Technologie ihren Bedarf an postoperativer Versorgung bzw. längeren Krankenhausaufenthalten verringern.

Schließlich verbessert digitale Technologie das Wissen der Ärzteschaft in Bezug auf langfristige Erkrankungen und ihre effiziente Behandlung. Verbundene Geräte sammeln und analysieren Daten in Echtzeit und erlauben Klinikern wertvolle Einblicke in die Gesundheit bzw. Behandlungsergebnisse ihrer Patienten. Diese enorme Bereicherung des Datenmaterials führt nicht zuletzt zur raschen Entwicklung alternativer Behandlungen. Digitale Therapeutika ziehen neue und vielversprechende Methoden nach sich, die Patientenergebnisse verbessern, den Zugang zu effizienter Versorgung erhöhen und unser Verständnis des aufkommenden Gesundheitsbedarfs erweitern.

Herausforderungen der Implementierung

Während digitale Therapeutika zahlreiche Vorteile bieten, ist ihre Implementierung mit verschiedensten Herausforderungen verbunden. Wie alle für den medizinischen Gebrauch vorgesehenen Produkte auch, muss jedes neue Gerät bestehende Zertifizierungen und Vorschriften erfüllen. Aufgrund ihrer geringen Verwendungsdauer wird die Entwicklung bzw. Verwendung digitaler Therapeutika bisher durch das Fehlen eindeutiger regulatorischer Vorschriften behindert.

Um ihre Wirksamkeit unter Beweis zu stellen, müssen digitale Therapeutika deshalb uneingeschränkt getestet werden; zudem sind weiterführende Forschungsanstrengungen in diesem Bereich unerlässlich. Während die bestehenden regulatorischen Vorschriften bereits ihren Teil dazu beitragen, die klinische Funktionsweise tragbarer Geräte zu lenken bzw. abzudecken, dienen digitale Therapeutiksysteme nicht zuletzt dazu, empfindliche Patienteninformationen zu sammeln, zu speichern und zu übermitteln.

Aus diesem Grund machen aus der Ferne durchgeführte Versorgungsmaßnahmen das sorgfältige Abschätzen der Datensicherheit notwendig. Entwickler müssen sich der neuen regulatorischen Datenschutzebenen bewusst sein, die gelten, sobald tragbare Geräte Gesundheitsdaten mithilfe drahtloser Netze übertragen. Entwicklern und Gesundheitsdienstleistern fällt die Aufgabe zu, Patienten zu versichern, dass die Sicherheit ihrer personenbezogenen Informationen gewahrt ist. Aufgrund des datengestützten Charakters dieser Form der medizinischen Versorgung sind mit der Integration der digitalen Therapeutika in das bestehende Gesundheitssystem womöglich auch bestimmte Herausforderungen verbunden, insbesondere für kleinere Praxen oder jene mit beschränkten Mitteln.

Eben diese aber könnten eine der Hürden für die flächendeckende Akzeptanz durch Patienten darstellen und zum Unwillen beitragen, diese neuen Technologien trotz ihrer möglichen Vorteile einzusetzen. Obwohl sie Schnittstellen verwenden, die mit Smartphones vergleichbar sind, könnte einzelnen Patienten der vertraute Umgang mit moderner Elektronik, die sogenannte digitale Kompetenz, fehlen, die als Voraussetzung für die Bedienung tragbarer Geräte gilt.

Auch die mit digitalen Therapeutika verbundenen Einstiegskosten könnten sich als potentielles Hemmnis für ihre Akzeptanz erweisen. Zwar wurde die langfristige Kosteneffizienz digitaler Therapeutika bereits gezeigt. Neben zeitraubender Test- und Zertifizierungsmaßnahmen sehen sich Hersteller jedoch mit den hohen Entwicklungs- und Implementierungskosten von Medizingeräten konfrontiert.

Während digitale Therapeutika also eine signifikante Verbesserung der Patientenergebnisse und einen gesteigerten Zugang zu Gesundheitsmaßnahmen versprechen, müssen sich Hersteller der Herausforderungen bewusst sein, die es zu überwinden gilt, um ihre umfassende Akzeptanz sicherzustellen.

Herausforderungen für Entwickler

Die Einführung digitaler Therapeutika enthob die medizinische Versorgung den Beschränkungen der Krankenhäuser und führte sie in das Umfeld der tragbaren Technologie. Dank miniaturisierter Elektronikkomponenten können Patienten, die aus der Ferne überwacht bzw. behandelt werden, ihren Alltag ungestört fortführen.

Beispielsweise bieten die jüngsten tragbaren Geräte für Diabetes-Patienten eine ideale Kombination aus geringer Größe und hoher Funktionalität. Die über Bluetooth® mit einem Smartphone verknüpfte Verbindung aus Medizingerät und Smartphone verfügt über eine höhere Konnektivität und Rechenleistung als viele ortsgebundene Krankenhausinstrumente. Diese IoT-Revolution führte dazu, dass so manches ausgeklügelte Gerät aus dem geschützten Umfeld von Krankenhäusern in die Hände von Patienten gelangte.

Bei der Entwicklung von Geräten sollten Designer mehr denn je einem benutzerzentrierten Ansatz folgen, der für Bedienerfreundlichkeit sorgt und den Ansprüchen der Patienten gerecht wird. Dafür ist eine enge Zusammenarbeit mit Patienten und Gesundheitsdienstleistern nötig, um ihre Bedürfnisse und Präferenzen zu verstehen und ihr Feedback in den Entwicklungsprozess einzubeziehen.

Designer sollten unbedingt Benutzbarkeitstests durchführen, um die einfache Bedienbarkeit bzw. Verständlichkeit ihrer Geräte sicherzustellen. Dazu gehören umfassende Geräteüberprüfungen im Beisein echter Benutzer, um kritische Mängel aufzuspüren und Änderungen umzusetzen, die die Patientenerfahrung verbessern; aber auch die Barrierefreiheit, um allen Patienten unabhängig von ihren körperlichen Fähigkeiten die Verwendung dieser Geräte zu ermöglichen; sowie möglicherweise die Ausstattung mit Features wie Text-in-Sprache, hochauflösende Displays oder die Anpassung der Schriftgröße.

Außerdem stehen Designer vor der Herausforderung, Lösungen umzusetzen, die das Teilen von Daten mit Hochgeschwindigkeit und gleichzeitig verringerte Gerätegrößen ermöglichen. Von diesen hohen Anforderungen sind insbesondere die verwendeten Steckverbinder betroffen. Der Übertragung von Daten bis in den Gigabit-Bereich pro Sekunde und der Fähigkeit von Steckverbindern, verlässliche und sichere Schaltungen zu gewährleisten, kommen immer größere Bedeutung zu.

Gleichzeitig wird aufgrund der Tragbarkeit der medizinischen Geräte der neuen Generation, ob Wearable oder Handheld, von Hochgeschwindigkeits-Steckverbindern erwartet, dass sie auch rauen Bedingungen standhalten. Aufprall- und Erschütterungswiderstand sind also wichtige Merkmale dieser datenlastigen Applikationen. Raue Bedingungen können kurzzeitig zu unterbrochenen Schaltkreisen führen. Elektrische Niedrigfrequenzsysteme sind robust genug, um Lücken von der Dauer einer Mikrosekunde zu überbrücken. Der Anspruch an moderne Geräte, Daten mit Geschwindigkeiten von 10 Gigabits pro Sekunde oder mehr zu verarbeiten, bedeutet jedoch, dass Signalunterbrechungen von gerade einmal 1 Mikrosekunde zum Verlust kritischer Informationen führen können.

Verbindungen herstellen

Um sichere und verlässliche Verbindungen für digitale Therapiegeräte sicherzustellen, müssen Steckverbinder strapazierfähig genug konzipiert sein, um unsanfter Benutzung, Aufprallen und Erschütterungen widerstehen zu können, denen tragbare Geräte ausgesetzt sind. Die Zunahme von Geräten flacher Bauart bringt jedoch mit sich, dass Steckverbinder nicht nur physisch robuster, sondern auch in kleineren Gehäusegrößen und feineren Rastermaßen erhältlich sein müssen. Herkömmliche Board-to-Board-Steckverbinder haben leichteren Alternativen flacher Bauart wie flexiblen Leiterplatten (FPC) Platz gemacht.

Der Steckverbinderhersteller Molex hat erkannt, wie wichtig es ist, dass Steckverbinder die richtige Kombination aus geringer Größe, robustem Design und hoher Leistung bieten. Diese Eigenschaften sind unerlässlich für Lösungen in der vernetzten Welt und Designer müssen mit Lösungsanbietern zusammenarbeiten, die ein Bewusstsein für diese Herausforderungen haben. Molex stellt die nötige Expertise zur Verfügung, um Kunden innovative und verlässliche Lösungen zu bieten, und setzt alles daran, Designern der Technologie von morgen echte Entscheidungsfreiheit zu ermöglichen.

Die jüngste Innovation des Unternehmens erweitert die Grenzen von Steckverbindern mit feinen Rastermaßen: Quad-Row Board-to-Board-Steckverbinder bieten bis zu 36 Kontakte in einem Gehäuse von gerade einmal 3,10 mm Länge (Gesamtraster+), 2,00 mm Breite und 0,60 mm Höhe (Abbildung 1). Molex ermöglicht diese geringe Größe mithilfe von vier Kontaktreihen auf einem 0,35 mm Raster, deren jeweilige Staffelung ein effektives Raster von nur 0,175 mm ergibt. Das Ergebnis ist ein für PCB-Designer besser zu handhabender Footprint und eine größere Toleranz während der Fertigung.

 
Abbildung 1: Molex Quad-Row Board-to-Board-Steckverbinder. (Quelle: Molex)

Das Leistungselement an jedem Ende des Steckverbinders liefert bis zu 3 A bei 50 V und verfügt über die nötige mechanische Stärke, um Quad-Row-Steckverbinder zu einer praktischen Lösung unter anspruchsvollen Bedingungen zu machen, die sich ideal für tragbare Medizingeräte der jüngsten Generation eignet.

Fazit

Das Versprechen von digitalen Therapeutika liegt in ihrer Fähigkeit, innovative, personalisierte und zugängliche Gesundheitslösungen zu bieten, die die Patientenergebnisse verbessern, die Gesundheitskosten verringern und letztendlich unsere Herangehensweise an die medizinische Versorgung verändern können. Die Entwicklung der Hardware für diese medizinische Revolution bedarf des fundamentalen Verständnisses ihrer Funktionsweise und des Umfeldes, in dem sie ihre Leistung erbringen soll. Designer sollten sich für jene Steckverbinder entscheiden, die die Verlässlichkeit, Widerstandsfähigkeit und Leistung liefern, die die Medizinbranche verlangt.

Digitale Therapeutika verändern die Bereitstellung medizinischer Versorgung, indem sie innovative und effiziente Behandlungen bieten, die mittels Internetverbindung ortsunabhängig zugänglich sind. Diese Technologien bieten zahlreiche Vorteile, darunter erhöhte Zugänglichkeit, Bequemlichkeit, Personalisierung, Patientencompliance, Kosteneffizienz und verbesserte klinische Ergebnisse. Nichtsdestotrotz ist die Implementierung dieser Geräte mit ganz eigenen Herausforderungen verbunden, nicht zuletzt der Erfüllung regulatorischer Auflagen sowie Fragen der Datensicherheit. Designer sollten unbedingt einem benutzerzentrierten Ansatz folgen, um Geräte zu entwickeln, die einfach zu bedienen sind, den Ansprüchen der Patienten gerecht werden und regulatorische Anforderungen erfüllen. Steckverbinder spielen für diese Revolution eine ganz wesentliche Rolle.
Die innovativen Quad-Row-Steckverbinder von Molex dienen als kompakte, hochleistungsfähige Lösung für tragbare Medizingeräte der jüngsten Generation, und bieten die Verlässlichkeit, Widerstandsfähigkeit und Leistung, die die Medizinbranche verlangt.