Optische Sensoren überwachen Gesundheit

Präventive Pulsmessung am Handgelenk

5. Juli 2022, 14:15 Uhr | Dr. Markus Arzberger, ams Osram
Fitnessarmbänder und Smart Watches sind mittlerweile nicht mehr aus dem Alltag vieler Menschen wegzudenken
Fitnessarmbänder und Smart Watches sind mittlerweile nicht mehr aus dem Alltag vieler Menschen wegzudenken
© Osram / WEKA Fachmedien

Fitnessarmbänder und Smart Watches mit Schrittzähler und Schlaftracker zählen heute zur Grundausstattung smarter Health Gadgets. Neue optische Sensoren überwachen nun sogar medizinisch relevante Zustände und erkennen potenzielle Gesundheitsprobleme – frühzeitig oder sogar bevor sie auftreten.

Die Zukunft für medizinische Funktionen für Wearables ist groß: Eine Studie der US-amerikanischen Marktforscher von Global Industry Analysts prognostiziert, dass der Umsatz von tragbaren medizinischen Geräten von 18,1 Milliarden US-Dollar im Jahr 2021 auf 38,9 Milliarden US-Dollar im Jahr 2026 steigen wird. Mit der neuen Generation von Sensoren und Algorithmen können Gerätehersteller die non-invasive Gesundheitsüberwachung auf eine ganz neue Ebene heben. Intelligente Uhren sind in der Lage, nicht nur den Puls durch die Haut zu messen, sondern auch den Blutdruck und viele andere Vitalparameter wie Herzfrequenz, Temperatur und Sauerstoffsättigung im Blut. Das erklärte Ziel ist es, mit Hilfe von Wearables aufkommende Krankheiten schneller zu erkennen und diesen präventiv vorzubeugen. Herzpatienten können beispielsweise die Wirksamkeit ihrer Behandlung im Alltag leichter überwachen: Sobald ein kritischer Wert erreicht ist, sendet ein intelligenter Algorithmus, der sich aus Millionen von Datensätzen speist, ein Warnsignal. Dadurch können Millionen von Menschen vor Krankheiten geschützt werden.

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Präzise Sensorik dank LED-Technologie

Für Hersteller von Smart Watches oder Ringen ist es wichtig, möglichst viele genaue Informationen über den menschlichen Körper abzuleiten. Nur so können spezifische medizinische Diagnosen auf Basis der sich über einen längeren Zeitraum verändernden Vitalfunktionen gestellt werden. Für die medizinische Verwendung bedarf es jedoch einer Präzision, die die Anforderungen für Medizinprodukte erfüllt und von den zuständigen Behörden entsprechend zugelassen wird. Für eine hohe Qualität der Sensordaten sorgen daher ausgefeilte Algorithmen, die die analogen Messsignale auswerten und die Zielgröße von Störfaktoren bereinigen. Wichtige technische Komponenten dabei sind die Lichterzeugung und -detektion sowie die analoge und digitale Verarbeitung der Sensorsignale.

Zur Messung von Vitalwerten via Wearables werden aktuell verschiedene Technologien eingesetzt: Während ein Elektrokardiogramm oder die Messung des Hautleitwerts auf elektrischen Signalen beruht, werden die Herzfrequenzvariabilität und der Sauerstoffgehalt des Blutes mit Licht bestimmter Wellenlängen gemessen. Seit kurzem ermöglichen spezielle LEDs, Detektoren und integrierte Frontends miniaturisierte optische Pulssensoren. Mit dem Design des Gesamtsystems legt die Forschung eine weitere Grundlage für die Güte der analogen Messsignale.

Farbenspiele bei der Herzfrequenzmessung

Messung der Herzfrequenz via LED
Messung der Herzfrequenz via LED
© ams Osram

LEDs nutzen die verschiedenen Wellenlängen von Licht für eine genaue Pulsmessung. Um eine Herzfrequenz zu erfassen, wird zunächst von der LED des Sensors grünes Licht in die Haut emittiert, wo es zum Teil an den Blutgefäßen gestreut wird und teilweise vom Blut absorbiert wird. Der reflektierte Teil des Lichts wird mit einer Photodiode im Sensor detektiert und mit komplexen integrierten Schaltkreisen weiterverarbeitet. Da sich das Blutvolumen mit der Herzfrequenz ändert, wird die Absorption des Lichts und das Signal der Photodiode entsprechend von der Herzfrequenz moduliert. Dieses Prinzip wird Photoplethysmographie, oder kurz PPG genannt. Durch die Messung des PPG-Signales für rotes und infrarotes Licht kann der Sauerstoffgehalt des Blutes gemessen werden.

Mikro-Sensoren ermöglichen genaue Pulsmessung

Ein PPG-Sensor besteht aus einer oder mehreren LEDs, einem Detektor, einer LED-Stromquelle sowie einer Auswerteeinheit mit einem oder mehreren Analog-to-Digital-Wandlern für die Detektorsignale. Der Sensor sollte dabei wenig Strom verbrauchen, um eine möglichst lange Batterielaufzeit zu gewährleisten. Die verwendete LED muss neben der passenden Wellenlänge vor allem eine gute Energieeffizienz aufweisen. Weil die Lichtabsorption von Blut sich stark mit der Wellenlänge ändert, müssen die LEDs außerdem schmalbandig emittieren, um konsistente Messergebnisse zu liefern. Der grüne Emitter CT DBLP 32.12 von ams OSRAM ermöglicht durch 20 Prozent höhere Helligkeit ein genaueres Signal mit einer höheren Leistung. Durch den geringeren Stromverbrauch kann die Akkulaufzeit verlängert und die gleiche Signalqualität über einen längeren Zeitraum erreicht werden. Das kompakte Modell benötigt weniger Platz auf der Platine, was eine flexible Gestaltung der Geräte ermöglicht.

Maßgeblich für die Detektoren ist ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis sowie hohe Linearität und Empfindlichkeit. Schnelle Schaltzeiten sind relevant, um die kurzen LED-Pulse aufzulösen. Großflächige Photodioden mit niedrigem Dunkelstrom eignen sich besonders gut. Für Sensoren, die mit grünem Licht messen, bieten sich Detektoren mit Umgebungslichtfilter an. Langwelligere, vor allem infrarote Strahlung wird stark unterdrückt, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern. Die kompakten Photodioden SFH 2705 und SFH 2706 von ams OSRAM verfügen als Detektoren über eine verbesserte Empfindlichkeit bei 530 nm (Grün) von circa 27 Prozent sowie bei 660nm (Rot) von circa acht Prozent. Somit ist ein höheres Signal bei den gegebenen Wellenlängen gegeben und ermöglicht eine Optimierung der Anwendungszeit, indem der Stromverbrauch reduziert wird. Die SFH 2705 Photodiode ist zudem in quadratischer Form designt, um eine andere geometrische Anordnung von LEDs und Photodioden zu nutzen.

Biosignale wie die Herzfrequenzmessung (HRM) und der galvanische Hautwiderstand (GSR) können mit einem analogen Frontend mit LED-Stromquelle wie dem AS7050 Sensor gemessen werden. Zwei ADC-Kanäle (Analog to Digital Converter) können Photoplethysmogramm- (PPG) und Elektrokardiogramm- (EKG) Messungen gleichzeitig durchführen. Die Flexibilität des AS7050 erlaubt es, ein hochgradig kundenspezifisches optisches Frontend in Kombination mit einem medizinischen EKG-System zu entwickeln. Um auch in Hearables und Smart Rings vitale Daten messen zu können, wurden die momentan kleinsten auf dem Markt verfügbaren AFEs – AS7056 und AS7057 – entwickelt, um zusammen mit optimierten optischen Frontends effiziente Sensorlösungen mit geringem Raumbedarf zu ermöglichen.

Sensor-Module wie die SFH 7050A und SFH 7060A enthalten LED und Photodiode in einem optischen Front-End, die durch hohe Produkthelligkeit und Stromeffizienz das Messen von den Vitaldaten noch präziser und anwenderfreundlicher gestalten.

Fazit

Der Trend zum Gesundheitstracking setzt sich fort. Wichtig für den Endkonsumenten ist die komfortable Anwendung, die es ermöglicht, außerhalb einer Arztpraxis seine Vitalwerte zu checken. Auch ohne aufzuklebende Elektroden oder einen Brustgurt können dank neuester LED-Technik mit intelligenten Licht-Sensoren präzise Messwerte erzielt werden und sich die medizinischen Messverfahren auf Wearables übertragen. Technisch möglich wurden diese neuen Funktionalitäten in Wearables durch die Entwicklung hocheffizienter LEDs mit sehr guter spektraler Reinheit. Durch die so mögliche optische Messung der Blut-Sauerstoffsättigung, wird der Wert nicht durch die Entnahme einer Blutprobe bestimmt, sondern lässt sich über die Haut messen. Insbesondere im Hinblick auf Menschen mit Herz- oder Lungenproblemen, aber auch für Sportler und letztlich auch für gesunde Personen sind Instrumente wie diese ein großer Fortschritt.


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