CEA-Leti/STMicroelectronics
Wearable misst Schweißwerte kontinuierlich in Echtzeit
CEA-Leti und STMicroelectronics haben einen tragbaren Sensor-Patch zur kontinuierlichen Schweißanalyse vorgestellt. Das flexible Wearable misst biochemische Marker wie pH, Natrium und Kalium in Echtzeit und ermöglicht neue Anwendungen in Gesundheit, Arbeitsschutz und Industrie.
CEA-Leti hat gemeinsam mit STMicroelectronics einen wichtigen Schritt in Richtung praxistauglicher, kontinuierlicher nicht-invasiver biochemischer Überwachung vorgestellt: einen tragbaren Sensor-Patch, der Schweiß in Echtzeit analysiert. Grundlage des Systems ist ein neues hochpräzises Analog-Front-End-F&E-Projekt von ST für elektrochemische Festkörpersensoren in Kombination mit der fortschrittlichen Sensorplattform von CEA-Leti.
Der Prototyp sammelt Schweiß direkt von der Haut über eine selbstklebende Schicht mit integrierter Mikrofluidik. Im Inneren des Systems überwachen elektrochemische Sensoren kontinuierlich Parameter, die Rückschlüsse auf Hydration, Ermüdung, thermischen Stress und körperliche Belastung erlauben. Nach der Analyse wird der Schweiß über eine mikroporöse Verdunstungsschicht abgeführt. Alle Funktionsschichten sind auf flexiblen Substraten gefertigt, die dünn genug sind, um sich komfortabel an den Arm anzupassen.
Das kleine System mit der Bezeichnung »Sweat Patch« vereint Festkörper-Sensorprototypen, ein neues mikrofluidisches Netzwerk sowie eine platzsparende Funk- und Ausleseelektronik. Es misst in seiner ersten Version kontinuierlich drei zentrale physiologische Parameter: den pH-Wert sowie die Natrium- und Kaliumkonzentration.
»In diesem neuartigen System wird der gesamte produzierte Schweiß effizient aufgenommen und über mikrofluidische Kanäle zu den Messkammern transportiert, die jeweils mit einem elektrochemischen Sensor ausgestattet sind. Anschließend wird der Schweiß kontrolliert in ein Drainage-System abgeführt«, erklärt Nadège Nief, stellvertretende Leiterin des Bereichs Mikrotechnologien für Biologie und Gesundheitswesen bei CEA-Leti. »Während frühere Analyseverfahren nur auf sporadischen Messungen basierten, liefert der Sweat Patch ein kontinuierliches und stabiles biochemisches Signal, das eine deutlich verbesserte Auswertung ermöglicht.«
Der Prototyp hat einen Durchmesser von 3 cm und ist weniger als 1 cm dick. Er wurde im Rahmen des CEA-Leti-Frameworks »human-use-compliant by design« für Gesundheitstechnologien entwickelt. Alle verwendeten Materialien sind medizinisch zertifiziert, ungiftig und biokompatibel.
Kontinuierliche Überwachung biochemischer Marker
Der Sweat Patch läutet aus der Sicht von CEA-Leti eine neue Phase der nicht-invasiven, kontinuierlichen biochemischen Überwachung ein, indem er das hohe diagnostische Potenzial von Schweiß erschließt. Die Technologie erfasst fortlaufend zentrale biochemische Marker wie Glukose, Kalium, Natrium und Laktat und liefert damit Echtzeitinformationen über Hydrationszustand, Elektrolythaushalt, körperliche Belastung und Stress.
Kern dieser Entwicklung ist der AFE-Prototyp (AFE: Analoges Front-End) von ST. Dabei handelt sich um einen kompakten Hochpräzisions-Potentiostat, der elektrochemische Festkörpersensoren mit hoher Genauigkeit ansteuert und ausliest. In Kombination mit den MEMS-Bewegungssensoren von ST ermöglicht der Potentiostat eine nahtlose Verknüpfung biochemischer Messdaten mit detaillierten Bewegungs- und Aktivitätsinformationen. Diese Kombination erlaubt es, Rohmessdaten in kontextualisierte, unmittelbar nutzbare Erkenntnisse umzuwandeln und so ein umfassendes Echtzeitbild des physiologischen Zustands einer Person zu gewinnen.
Enrico Alessi, R&D Manager of System Architectures in the Central R&D of Analog, Power & Discretes, MEMS and Sensors Group bei STMicroelectronics, betont: »Der Sweat Patch geht über herkömmliche Überwachungslösungen hinaus und liefert aussagekräftige, personalisierte Daten, die intelligentere Entscheidungen in unterschiedlichsten Umgebungen ermöglichen. Die potenziellen Anwendungen dieser Technologie sind vielfältig – von der Optimierung persönlicher Fitness über Arbeits- und Gesundheitsschutz bis hin zu Frühwarnsystemen und nicht-invasivem klinischem Screening. Im industriellen Umfeld kann die kontinuierliche Schweißanalyse als Frühindikator für Hitzestress und Elektrolytstörungen dienen und so zum Schutz der Beschäftigten beitragen.« Und Andreja Erbes, Director of Technology Scouting and R&D Partnerships bei STMicroelectronics, ist überzeugt, dass darüber hinaus auch neue Märkte wie Lebensmittelanalyse, industrielle Prozesskontrolle und Umweltüberwachung denkbar sind, die das Potenzial des ST-Forschungsprototyps nutzen und seine Vielseitigkeit über den Gesundheitsbereich hinaus verdeutlichen.
Yohann Thomas, Forschungsingenieur und Experte für elektrochemische Sensoren bei CEA-Leti, wiederum erklärt, dass »Der Sweat Patch zeigt, was möglich wird, wenn Elektronik, Mikrofluidik und Festkörperchemie als ein integriertes Gesamtsystem entwickelt werden – und nicht als voneinander getrennte Komponenten. Echtzeit-Biochemiesensorik erfordert, dass jedes Glied der Kette zuverlässig direkt auf der Haut funktioniert.«
Im nächsten Schritt konzentrieren sich CEA-Leti und STMicroelectronics darauf, den Reifegrad dieser integrierten Plattform weiter zu erhöhen, elektrochemische Sensoren mit zusätzlichen biochemischen Markern zu industrialisieren sowie Konnektivität und Datensicherheit des Systems zu verbessern, um eine nahtlose Datenübertragung zu ermöglichen.
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