Anwendungen und Lösungen für kontinuierliche Glukosemessgeräte

Vor dem Hintergrund einer kontinuierlich wachsenden globalen Diabetespopulation ist das Glukosemanagement entscheidend geworden, um die Lebensqualität der Patienten zu verbessern und Komplikationen vorzubeugen. Während traditionelle Blutzuckermessungen durch Fingerpiken effektiv sind, erfüllen sie aufgrund ihrer intermittierenden und invasiven Natur oft nicht die Anforderungen an ein präzises Glukosemanagement. Continuous Glucose Monitoring (CGM)-Systeme, als fortschrittliche nicht-invasive oder minimalinvasive Überwachungstechnologien, ermöglichen die Echtzeitverfolgung von Glukoseschwankungen. Sie bieten Patienten und Gesundheitsfachkräften umfassende Daten zu Glukosetrends und optimieren so die Insulintherapie und verringern die Risiken von Hypoglykämie und Hyperglykämie. Dieser Artikel untersucht die Herausforderungen, die Diabetes in der modernen Gesellschaft mit sich bringt, die technologischen Vorteile und Anwendungsszenarien von CGM-Systemen sowie die dazugehörigen Lösungen, die von onsemi angeboten werden.

Diabetes ist zu einem globalen Gesundheitsproblem geworden

Diabetes ist eine häufige Erkrankung in modernen Gesellschaften und hat sich zu einem globalen Gesundheitsproblem entwickelt. Sie führt zu zahlreichen Komplikationen, wie Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Nephropathie und Retinopathie, und stellt eine erhebliche Belastung für das öffentliche Gesundheitssystem dar. Diabetes kann in drei Haupttypen unterteilt werden: Typ-1-Diabetes (T1D), Typ-2-Diabetes (T2D) und Schwangerschaftsdiabetes (GDM – Gestationsdiabetes Mellitus). Von diesen ist T2D der am weitesten verbreitete Typ und steht in Zusammenhang mit ungesunden Ernährungsgewohnheiten, Bewegungsmangel, Fettleibigkeit und genetischen Faktoren. T1D hingegen ist eine Autoimmunerkrankung, die hauptsächlich jüngere Menschen betrifft. GDM ist durch eine erstmals während der Schwangerschaft diagnostizierte Glukoseintoleranz gekennzeichnet, typischerweise im zweiten Trimester (Wochen 24–28). Obwohl sich bei einigen Frauen die Glukosewerte nach der Geburt wieder normalisieren können, erhöht GDM die Gesundheitsrisiken für Mutter und Kind und steigert die Wahrscheinlichkeit, später an T2D zu erkranken.

T1D ist eine Autoimmunerkrankung, bei der das Immunsystem die pankreatischen β-Zellen angreift, was zu einem vollständigen Verlust der Insulinproduktion führt. Patienten benötigen eine lebenslange Insulintherapie, um stabile Blutzuckerwerte aufrechtzuerhalten. T1D tritt häufig bei Kindern oder Jugendlichen auf (obwohl auch Erwachsene betroffen sein können) und äußert sich schnell mit Symptomen wie häufigem Wasserlassen, Durst, Gewichtsverlust und Müdigkeit. Da die Erkrankung nicht allein durch Diät oder Bewegung kontrolliert werden kann, sind Insulininjektionen unerlässlich. T2D hingegen entsteht durch Faktoren wie Fettleibigkeit, schlechte Ernährung, einen sitzenden Lebensstil, familiäre Vorbelastung und hohen Stress, was es möglich macht, sie durch Lebensstiländerungen oder Medikamente zu managen.

Die Behandlung von Typ-1-Diabetes (T1D) umfasst die Insulintherapie (subkutane Injektionen oder Insulinpumpen), die kontinuierliche Glukoseüberwachung (CGM) oder Blutzuckermessung, die Ernährungskontrolle (Kohlenhydratzählung) und regelmäßige körperliche Aktivität (mit Anpassungen der Insulindosis).

Diabetes ist ein zunehmendes globales Gesundheitsproblem. Während Typ-1-Diabetes (T1D) einen kleineren Anteil der Fälle ausmacht, ist seine Auswirkung auf die Patienten erheblich. Fortschritte in der Insulintherapie, der Glukoseüberwachung und der Technologie haben die Lebensqualität von T1D-Patienten allmählich verbessert, und zukünftige Durchbrüche könnten noch fortschrittlichere Behandlungen oder Präventivmaßnahmen bieten.

Da T1D vorwiegend Kinder und Jugendliche betrifft, müssen junge Patienten die Herausforderungen, Belastungen und den emotionalen Tribut der Krankheit ertragen. Die Angst vor dem Unbekannten kann sowohl bei den Patienten als auch bei deren Familien erhebliche Angst auslösen.

Kontinuierliche Glukosemessgeräte liefern Echtzeit-Glukosewerte

Obwohl die genaue Ursache für Typ-1-Diabetes (T1D) unklar bleibt, handelt es sich um eine Erkrankung, bei der der Körper kein Insulin produzieren kann – ein lebenswichtiges Hormon. Während der Verdauung werden Kohlenhydrate in Zuckermoleküle aufgespalten, doch ohne Insulin können diese Moleküle nicht aufgenommen werden. Insulin transportiert Zucker (Glukose) aus dem Blutkreislauf in die Zellen, um Energie bereitzustellen. Überschüssige Glukose im Blut, meist über 200 mg/dL, führt zu Hyperglykämie. Wenn diese unbehandelt bleibt, kann Hyperglykämie lebensbedrohliche Komplikationen wie Nierenversagen, Nervenschäden, Sehverlust oder Herzkrankheiten verursachen.

Umgekehrt können Faktoren wie körperliche Aktivität den Blutzuckerspiegel senken. Abnorm niedrige Glukosewerte (in der Regel unter 70 mg/dL) werden als Hypoglykämie bezeichnet, die zu Herzrhythmusstörungen, Herzstillstand, Organversagen, Koma oder sogar zum Tod führen kann.

Stellen Sie sich einen achtjährigen Jungen mit T1D vor – vielleicht isst und spielt er gerade ausgelassen – der zur Schule geht, ohne dass seine Familie von seinem Zustand weiß. Das Kind und das Schulpersonal, die nicht wissen, wie sie mit dieser chronischen Krankheit umgehen sollen, würden enorme Angst erleben.

CGM-Systeme sind sensorbasierte, am Körper getragene Geräte, die kontinuierliche Glukosewerte liefern und eine Fernüberwachung ermöglichen. Diese Geräte erlauben es Eltern, die Glukosewerte ihres Kindes in Echtzeit zu verfolgen, was unabhängig von der Umgebung des Kindes – ob Tag oder Nacht – für ein beruhigendes Gefühl sorgt. Darüber hinaus gewinnen Kinder die Freiheit ihrer Kindheit zurück, ohne auf häufiges Fingerstechen mit herkömmlichen Blutzuckermessgeräten (BGM) angewiesen zu sein. Im Durchschnitt misst eine Person ihren Glukosespiegel 3–8 Mal täglich (abhängig von der Kohlenhydrataufnahme), was zu 2.352 Fingerstichen pro Jahr führt – eine erschreckende Zahl für kleine Finger.

Im Jahr 2021 wurden weltweit 537 Millionen Menschen im Alter von 20–79 Jahren mit T1D diagnostiziert. Bis 2030 wird prognostiziert, dass diese Zahl auf 643 Millionen ansteigen wird. Dies unterstreicht die dringende Notwendigkeit für medizinische Hersteller, Zugang zu den fortschrittlichsten und zuverlässigsten Lösungen zu haben.

Fortschrittliche Lösungen für kontinuierliche Glukoseüberwachung

Um das Leben von Kindern mit Diabetes zu verbessern, bietet onsemi Herstellern von Medizinprodukten umfassende mikroelektronische Systemlösungen für CGM-Geräte an, die es diabetischen Kindern ermöglichen, ein glücklicheres, längeres und erfüllteres Leben zu führen – frei von der Angst vor dem Unbekannten.

Die Treo-Plattform von onsemi unterstützt die nächste Generation von Analog- und Mixed-Signal-Geräten, einschließlich modernster CGM-Lösungen. Die Treo-Plattform verfügt über eine modulare Architektur, die die Entwicklung intelligenter Leistungsmanagement-, Sensor-Interface- und Kommunikationslösungen beschleunigt.

Der elektrochemische Sensor-AFE von onsemi – der CEM102 – ist ein analoger Front-End (AFE), der speziell für den ultra-niedrigenergieverbrauchenden kontinuierlichen Glukose-Monitoring (CGM) und ähnliche Anwendungen entwickelt wurde, die amperometrische Messungen extrem niedriger Ströme erfordern. Sein kleines Formfaktor und niedriger Energieverbrauch ermöglichen eine weitere Miniaturisierung der Endanwendungen sowie eine verlängerte Batterielebensdauer. Der CEM102 wurde entwickelt, um mit onsemis RSL15 (einem sicheren Bluetooth® 5.2 Wireless-MCU) zusammenzuarbeiten, und bietet zusätzliche Vorteile auf Systemebene wie optimierten Energieverbrauch und Betriebsspannung. Dies umfasst den Betrieb in einem weiten Versorgungsspannungsbereich von 1,3 bis 3,6 V, typischerweise mit einer einzelnen 1,5 V Silberoxid-Batterie oder einer 3 V Knopfzelle.

Der CEM102 ist eine vollständige 2-Kanal-elektrochemische Messlösung (CEM102 + RSL15), die 1, 2, 3 oder 4 Elektroden unterstützt. Sie bietet einen extrem niedrigen Systemstromverbrauch, einen integrierten hochauflösenden ADC, mehrere DACs für Bias-Einstellungen und ein werkseitig abgestimmtes System sowie Unterstützung zur Erkennung abnormaler Sensorzustände und zum Aufwecken des Host-Prozessors. Sein kleiner Formfaktor macht ihn ideal für Anwendungen wie CGMs, IoT-Sensorgeräte und Wearables.

Um die Produktentwicklung zu beschleunigen, bietet onsemi außerdem das Evaluierungsboard CEM102 - CEM102-EVB an. Dieses Board dient als Software-Entwicklungskit zur Bewertung der Leistung und Funktionalität des CEM102 sowie zur Entwicklung, Demonstration und Fehlerbehebung von Softwareanwendungen für das Gerät. Zusätzlich zum CEM102 enthält es das RSL15 und Beispielcode für die Einrichtung und Durchführung von Messungen, was einen schnellen Einstieg in die System- und Firmware-Entwicklung ermöglicht.

Das CEM102-EVB ist eine vollständige 2-Kanal-Lösung für elektrochemische Messungen, die flexible Selbstdiagnose, Kalibrierung und Produktionstests (mit kundenspezifischen PCBs) ermöglicht. Es unterstützt die Selbstmessung der Elektrodenpolarisation-Spannung und Abweichungen der Kalibrierschaltung, verfügt über einen TIA-Verstärker mit internen und externen Rückkopplungsschaltungen und bietet Einstellungen für Messgenauigkeit, Linearität und Dynamikbereich. Außerdem beinhaltet es stromsparende Speicher- und Betriebsmodi mit Leistungsverbrauchsmessungen für jede Einstellung.

Drahtloser MCU, entwickelt für intelligente vernetzte Geräte in Industrie- und Medizinanwendungen

Der RSL15 von onsemi ist ein ultra-energieeffizienter, sicherer BLE 5.2 Wireless-MCU, basierend auf dem Arm® Cortex®-M33 Prozessor, der für vernetzte, intelligente Geräte in Industrie- und Medizinanwendungen entwickelt wurde. Der RSL15 verfügt über integriertes Energiemanagement, einen breiten Versorgungsspannungsbereich, flexible GPIO- und Taktungsschemata sowie eine umfangreiche Peripherieausstattung, die maximale Designflexibilität für Hochleistungs- und ultra-energiesparende Anwendungen bietet. Der RSL15 umfasst 80 kB RAM und bietet Optionen für Flash-Speicher mit 284 kB oder 512 kB.

Das RSL15 wird mit einem umfassenden und benutzerfreundlichen Software Development Kit (SDK) geliefert, das Treiber, Bibliotheken, Beispielcode, Entwicklungstools und mobile Apps (RSL Central für iOS® und Android™ sowie RSL FOTA für iOS und Android) umfasst. Unterstützte Entwicklungsumgebungen sind die onsemi IDE, Keil μVision® und IAR Embedded Workbench®.

Der RSL15 ist geeignet für Anwendungen wie industrielle Automatisierung und Sensorik, vernetzte medizinische Sensoren, Wearables, Asset-Tracking, elektronische Tags und Zugangskontrolle, elektronische Etiketten, Datenlogger, intelligente Geräte und energieerzeugende Schalter.

Das RSL15 bietet auch ein Evaluierungs-/Entwicklungsboard (EVB) - das RSL15-EVB - an, das für die Verwendung mit dem RSL15 SDK entwickelt wurde, um die Leistung und Funktionalität des Geräts zu bewerten sowie Softwareanwendungen zu entwickeln, vorzuführen und zu debuggen.

Fazit

Die Weiterentwicklung von kontinuierlichen Glukosemesssystemen (Continuous Glucose Monitoring, CGM) hat das Diabetesmanagement revolutioniert, indem sie Patienten ermöglicht, ihre Glukosewerte in Echtzeit zu überwachen, die Insulintherapie zu optimieren und das Risiko akuter und chronischer Komplikationen zu verringern. Dank fortlaufender Verbesserungen in der Sensortechnologie, künstlicher Intelligenz und drahtloser Kommunikation werden CGMs immer genauer, benutzerfreundlicher und fähiger zur nahtlosen Datenintegration, was den Weg für intelligentere personalisierte Gesundheitslösungen ebnet. Mit dem technologischen Fortschritt und wachsender Marktdurchdringung sind CGMs bereit, zum Standardwerkzeug im Diabetesmanagement zu werden. Die Lösungen von onsemi werden eine zentrale Rolle bei der Beschleunigung der CGM-Produktentwicklung spielen und zu einer gesünderen und sichereren Zukunft für Diabetiker weltweit beitragen.