Sensortechnologien im Gesundheitswesen
Vom Schrittzähler zur Gesundheitsplattform
Gesundheits- und Fitness-Tracker – und die dafür zugrundeliegenden Sensortechnologien – haben eine rasante Entwicklung hingelegt. Werfen wir einen Blick zurück; und natürlich voraus. Wohin geht der Weg der smarten Sensoren? Was erwartet uns als nächstes?
Von Mark Patrick, Mouser Electronics
Gesundheits- und Fitness-Wearables haben sich von einfachen Schrittzählern, die grundlegende Aktivitäts- und Fitnessdaten aufzeichnen, zu umfassenden Gesundheitsüberwachungslösungen entwickelt, mit denen sich alle Vitalparameter des menschlichen Körpers überwachen lassen.
Frühe Funktionen
Die Menschen waren schon immer daran interessiert zu wissen, wie viele Schritte sie an einem Tag zurückgelegt haben. Es ist sogar bekannt, dass Leonardo da Vinci einst ein Konzept für einen Schrittzähler entworfen hat. Der erste Prototyp eines Schrittzählers geht auf den Uhrmacher und Erfinder Abraham-Louis Perrelet im Jahr 1770 zurück. Der erste moderne Schrittzähler, der Manpo-Kei, wurde 1965 von Dr. Yoshiro Hatano entwickelt, der die Menschen dazu ermutigen wollte, pro Tag 10.000 Schritte zurückzulegen.
Frühe Schrittzähler wurden an einem Gürtel getragen...
...und hatten einen mechanischen Schalter zur Bewegungserkennung (mit einer Bleikugel, die sich hin und her bewegte, oder einem Pendel, das ausschlug) in Kombination mit einem Zähler. 1921 wurde der Polygraph (auch bekannt als Lügendetektor) erfunden. Es war das erste Gerät mit Sensoren, die die Herzfrequenz, den Blutdruck und die galvanische Hautreaktion (GSR) messen konnten.
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Auch wenn der Polygraph einen ganz anderen Zweck verfolgte...
...und nicht für den mobilen Einsatz konzipiert war, konnte er viele der Funktionen heutiger Gesundheits- und Fitness-Wearables erfüllen. In den 1980er-Jahren wurde der Beschleunigungsmesser erstmals zur Aktivitätsmessung eingesetzt, und heute sind mehrachsige Beschleunigungsmesser in Geräten, die am Handgelenk getragen werden, weit verbreitet.
1977 gründete der finnische Professor Seppo Säynäjäkangas,...
...ein begeisterter Skifahrer, das Unternehmen Polar, das aus seinem Interesse an der Nutzung elektronischer Technologie zur Pulsmessung entstand. 1979 meldete er ein Patent für einen Fingerspitzen-Pulsmesser an, 1982 folgte der erste kabellose, tragbare Pulsmesser, der Polar Sport Tester PE2000. Dieser bestand aus einem Brustpflaster mit integriertem Elektrokardiogramm (EKG) und einem separaten Empfänger in Form eines Armbands, das Echtzeitdaten über die Herzfrequenz des Trägers anzeigte. Dies war ein Wendepunkt im persönlichen Fitnessbereich und trug wesentlich dazu bei, dass das hochintensive Intervalltraining (HIIT) immer beliebter wurde. Erste Wearables sollten Indikatoren für das allgemeine Aktivitäts- und Fitnessniveau liefern, konnten aber nicht für medizinische Zwecke verwendet werden.
Der Einsatz von Vitalzeichensensoren
Heutige Wearables unterscheiden sich erheblich von ihren bescheidenen Vorgängern. Neben Schrittzählung, Kalorienzählung und Schlafüberwachung können sie nun auch Einblicke in andere physiologische Vitalparameter (Blutdruck, Körpertemperatur und Blutsauerstoffsättigung) an verschiedenen Körperstellen geben. Messgeräte, die am Handgelenk oder an der Brust getragen werden, sind nach wie vor am weitesten verbreitet, aber auch Geräte, die am Ohr getragen werden (sogenannte Hearables), werden immer häufiger. Die Fähigkeit zur Messung von Vitalparametern wurde durch den Einbau fortschrittlicher Sensoren ermöglicht, darunter:
Optisch:
Diese Sensoren, wie der AFE4420YZR von Texas Instruments, werden zur Durchführung der Photoplethysmographie (PPG) verwendet. Dabei handelt es sich um eine einfache und kostengünstige optische Technik, die Veränderungen des Blutvolumens im Hautgewebe erfasst. Farb- oder manchmal auch Infrarot-LEDs werden verwendet, um die Haut des Trägers zu beleuchten. Das reflektierte Licht wird mit Fotodioden erfasst, die das Lichtsignal in einen elektrischen Strom umwandeln, der wiederum an einen Mikrocontroller gesendet wird, der die Herzfrequenz und die Blutsauerstoffsättigung ermittelt. Fortschrittliche optische Sensoren verwenden Algorithmen, um Bewegungen des Trägers und wechselnde Lichtverhältnisse, die die Messwerte beeinträchtigen könnten, zu kompensieren.
Biopotentiell:
Diese Sensoren, wie der MAX30001 von Analog Devices, erkennen winzige elektrische Signale im menschlichen Körper und können zur Erstellung eines Elektrokardiogramms (EKG) verwendet werden – einer grafischen Darstellung der Herztätigkeit.
Temperatur:
Während allgemeine Temperatursensoren je nach Anwendung unterschiedliche Genauigkeiten aufweisen, müssen klinische Körpertemperatursensoren wie der TMP117AIDRVR von Texas Instruments eine Genauigkeit von 0,2 Grad Celsius oder besser haben.
Zukünftige Entwicklungen
Bis vor Kurzem war die Verwendung dieser Sensoren in medizinischen Anwendungen ausgeschlossen, weil ihre Qualität nicht ausreichend war. Dies war kein großes Problem für Verbraucher, die Gesundheits- und Fitness-Wearables nutzten, um generelle Informationen über ihre Gesundheit und ihr Wohlbefinden zu erhalten, ohne zu sehr auf die Genauigkeit der Messwerte zu achten. Viele Hersteller produzieren jedoch inzwischen medizinische Sensoren, die für den Einsatz in Geräten für die professionelle Gesundheitsvorsorge bestimmt sind, sobald sie die entsprechende Zertifizierung durch die zuständige Aufsichtsbehörde (etwa das Bundesinstitut für Arzneimittel und Medizinprodukte (BfArM) in Deutschland) erhalten haben.
Medizinische Sensoren können auch...
...bei der Entwicklung von tragbareren und leichter zu handhabenden Geräten helfen. Aktuell ist beispielsweise das Langzeit-EKG der am häufigsten von Ärzten verwendete Herzmonitor. Es ist jedoch sperrig, was es unpraktisch macht, wenn ein Patient es länger als 24 oder 48 Stunden tragen muss. Auch die Zeitspanne ist problematisch. Sie mag zwar ausreichen, um einige Aspekte der Herztätigkeit zu erfassen, reicht aber in manchen Fällen nicht aus, um lebensbedrohliche Erkrankungen wie Herzrhythmusstörungen eindeutig zu erkennen. Kleinere, weniger invasive tragbare Herzmonitore werden die Erkennung dieser Krankheiten erleichtern, da sie es den Ärzten ermöglichen, ihre Patienten über längere Zeiträume aus der Ferne zu überwachen, ohne dass diese ihr Messgerät zum Übertragen und Analysieren der Daten in ein Krankenhaus bringen müssen.
Die Verbindung von medizinischen Geräten,...
...die von zahllosen Menschen getragen werden, mit der Cloud und das kontinuierliche Hochladen riesiger Datenmengen wird auch die Möglichkeit eröffnen, Techniken des maschinellen Lernens anzuwenden, um verborgene Trends und Muster in dieser Fülle von Informationen aufzudecken. Dies wird wiederum zur Entwicklung von Algorithmen beitragen, die die Genauigkeit der Sensormessungen weiter verbessern. Der MAX32664 von Analog Devices zum Beispiel ist eine stromsparende biometrische Sensor-Hub-Familie, die direkt mit mehreren verschiedenen Sensoren kommunizieren kann, um die Messwerte in verschiedenen Anwendungsfällen zu analysieren. Eine interessante zukünftige Applikation, die mit diesem Sensor-Hub möglich sein könnte, ist die Messung des Blutdrucks mittels PPG am Finger (und möglicherweise auch an anderen Körperstellen). Eine solche Entwicklung wäre zu begrüßen, da sie die bisher genutzte, sperrige Manschette ersetzen würde, die für längeres Tragen unpraktisch ist.
In jüngster Zeit...
...wurden tragbare Gesundheitsapplikationen entwickelt, die auf elektrochemischen Sensoren wie dem Analog-Frontend MAX30134 basieren, das jetzt in Blutzuckermessgeräten zur kontinuierlichen Überwachung des Blutzuckerspiegels bei Diabetespatienten eingesetzt wird. Die Messwerte werden drahtlos an das Smartphone des Patienten gesendet, um ihn zu benachrichtigen, wenn er sich eine Insulindosis verabreichen muss. In Zukunft könnte das Überwachungsgerät drahtlos mit einer tragbaren Insulinpumpe verbunden werden, die dann automatisch die entsprechende Dosis an den Patienten abgibt.
Fazit
Die Entwicklung elektronischer Wearables schreitet weiterhin schnell voran. Während sie als Verbrauchsgeräte, die es Einzelpersonen und Sportlern ermöglichen, ihre allgemeine Gesundheit und ihr Wohlbefinden zu überwachen, immer beliebt sein werden, hat sich die Genauigkeit der Sensoren so weit verbessert, dass sie nun auch in klinischen Geräten und Ausrüstungen eingesetzt werden können. Dies wird die Art und Weise, wie die Gesundheitsversorgung künftig durchgeführt wird, grundlegend verändern, da Ärzte aus der Ferne Informationen sammeln und den Gesundheitszustand ihrer Patienten überwachen können, ohne sie so oft persönlich zu empfangen, was die Gesundheitsversorgung effizienter und effektiver machen könnte.
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