Bei Patienten mit Atembeschwerden empfiehlt sich ein Lungenfunktionstest mit einem so genannten Spirometer. Professionelle Geräte beim Arzt sind in der Regel groß und teuer. Immer auf der Suche nach Möglichkeiten, wie unsere Bauelemente zu innovativer Elektronik beitragen können, haben wir darüber nachgedacht, wie sich ein kompaktes Kleingerät realisieren lässt. Es sollte sich für die regelmäßige Nutzung und Überwachung der Lungenfunktion beim Patienten zuhause eignen. 

Unter einem Spirometer versteht man ein medizinisches Gerät, mit dem sich die Lungenfunktion von Patienten testen lässt. Es ermöglicht die Beurteilung der Atemvolumina und -flüsse, indem es die Menge und Geschwindigkeit der Luft misst, die in die Lunge ein- und ausgeatmet wird. Diese Messungen sind wichtig für die Diagnose und Überwachung von Atemwegserkrankungen wie Asthma, COPD (chronisch obstruktive Lungenerkrankung) und anderen Lungenfunktionsstörungen. 

Ein Spirometer besteht typischerweise aus einem Mundstück, in das der Patient ein- und ausatmet, und das mit geeigneten Sensoren Atemvolumina und -flüsse erfassen kann. Diese werden dann in der Regel von einer elektronischen Schaltung ausgewertet und gespeichert. Anschließend findet eine Visualisierung entweder in einem geräteintegrierten Display oder eine Funkübertragung der Daten per Bluetooth oder WiFi auf ein geeignetes Anzeigegerät wie z.B. ein Smartphone oder Tablet statt. Denkbar ist ebenso die Funkübertragung über das Mobilfunknetz in eine Cloud, auf die beispielsweise der behandelnde Arzt Zugriff haben könnte. 

Moderne Spirometer messen in der Regel lediglich die Flussgeschwindigkeit und können dann über Aufintegration auf die Lungenvolumina schließen. Üblicherweise bestimmt ein Differenzdruck-Flussmeter die Flussgeschwindigkeit über Druckunterschiede im Atemrohr bei der Durchströmung von Lamellen. Es ist anfangs sehr genau, verliert aufgrund von Verschmutzung der Lamellen durch die Feuchtigkeit der Atemluft allerdings mit der Zeit an Präzision. 

Folgende Sensoren können wir daher empfehlen: Für die Überwachung des Luftstroms bietet sich der Differenzdrucksensor WSEN-PDUS an. Der WSEN-PDUS bietet einen Messbereich von ±10 kPa (±100 mbar) bei einer Auflösung von 15 bit. Mit Abmessungen von 13x8 mm2 ist er kompakt genug für den Einbau in ein mobiles Gerät. 

Mit dem Feuchtigkeits- und Temperatursensor WSEN-HIDS lässt sich die Feuchtigkeit sowohl in der Atemluft als auch in der Umgebungsluft überwachen, um so die Verschmutzung der Lamellen im Atemrohr festzustellen. Der WSEN-HIDS ist mit Abmessungen von 1,5x1,5x0,5 mm3 sehr klein, gibt Feuchtigkeits- und Temperaturwerte im 16-bit-Format aus und verfügt über eine I2C-Schnittstelle.  

Auch für die Funkanbindung zur Übertragung der Ergebnisse haben wir Vorschläge. Zur Datenübertragung per Bluetooth LE 5.1 lassen sich wahlweise die Module Proteus-III oder Proteus-e nutzen. Proteus-III basiert auf dem Chip nRF52840 von Nordic mit einer Ausgangsleistung von 6 dBm. Über die Bluetooth-Verbindung kann das mobile Spirometer von einem Mobilgerät per App bedient und gesteuert werden. Möglich ist auch das Aufspielen von Firmware-Updates. Proteus-e basiert auf dem Chip nRF52805 von Nordic mit einer Ausgangsleistung von 4 dBm. Damit kann das mobile Spirometer vom Mobilgerät per App bedient werden. 

Zur Anbindung des mobilen Spirometers an eine Cloud gibt es zwei Möglichkeiten: 

Mit dem WiFi-Modul Calypso lässt sich das mobile Spirometer beispielsweise in ein WLAN einbinden, das die Daten sowohl lokalen Teilnehmern zur Verfügung stellen als auch per Internet-Anbindung an eine Cloud weiterleiten kann. Calypso beherrscht die Standards IEEE 802.11b/g/n bei 2,4 GHz, verfügt über eine Ausgangsleistung von 18 dBm und entspricht den neuesten Sicherheitsstandards. 

Zur direkten Cloud-Anbindung eignet sich das Mobilfunk-Modul Adrastea-I , das die beiden Standards LTE-NB.IoT und Cat.M1 beherrscht und zusätzlich eine Positionsbestimmung per GNSS erlaubt. 

Ein mobiles Spirometer benötigt freilich auch eine passende Stromversorgung. Hier kann sich ein Entwickler Arbeit sparen, wenn er auf hochintegrierte MicroModule aus der MagI3C-Baureihe von Würth Elektronik zurückgreift. Für ein mobiles Spirometer mit Batteriebetrieb würde sich die MagI3C-VDMM-Serie (Variable step-Down MicroModule) eignen, die mit Eingangsspannungen von 2,5 V bis 36 V arbeiten und typischerweise Ausgangsspannungen von 0,6 bis 6 V liefern können. Die Ausgangsströme bewegen sich dabei zwischen 0,3 und 6 V. 

Eine ausführlichere Version dieses Spirometerkonzepts finden Sie hier: