Bildquelle: Hochschule Landshut
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Forscher verbessern Wearables für medizinische Anwendungen
Herz-Kreislauf-Erkrankungen sind die häufigste Todesursache in Deutschland. Medizinische Wearables, die in Echtzeit vitale Parameter wie Blutdruck, Herzfrequenz und Sauerstoffgehalt im Blut messen, könnten helfen, diese Krankheiten frühzeitig zu erkennen und präventiv zu behandeln.
Im Alltag oder beim Sport erfreuen sich die kleinen, tragbaren Minicomputer in Form von Fitnessarmbändern oder Smartwatches schon großer Beliebtheit. Auch in der Medizin werden sie mittlerweile immer häufiger eingesetzt. Das Problem ist hier allerdings, dass die mobilen Systeme nicht immer frei von Fehlern sind. So werden in den meisten Wearables Vitalparameter mithilfe des sogenannten PPG-Verfahrens (Photoplethysmographie) gemessen. Dabei kann es zu Signalstörungen kommen, wenn beispielsweise die Sensoren bei Bewegungen verrutschen. Die Medizin ist jedoch auf zuverlässige Messungen angewiesen. Genau hier setzt das neue Forschungsprojekt „Deep-PPG“ an der Hochschule Landshut unter Leitung von Prof. Dr. Andreas Breidenassel, an. Sein Ziel ist es, die Störanfälligkeit des PPG-Signals zu reduzieren und damit exaktere Messungen von Wearables in medizinischen Anwendungen zu ermöglichen. Am Projekt beteiligt ist das Unternehmen OSRAM Opto Semiconductors. Das Bayerische Staatsministerium für Wissenschaft und Kunst fördert das Vorhaben mit 250.000 Euro.
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„Wenn wir die Sensoren weiterentwickeln und die Datenqualität der Wearables verbessern, können diese Daten in Zukunft immer besser zur Diagnose genutzt werden“, erklärt Breidenassel. Dabei sei es wichtig, dass die Wearables nicht nur Risikopatienten überwachen, sondern auch Daten von bislang gesunden Menschen in Alltagssituationen auswerten. So könnten sie als Frühwarnsystem dienen und Krankheiten diagnostizieren, bevor die Betroffenen es selbst merken. Dies ermögliche eine schnellere Behandlung. Das technische Prinzip hinter den medizinischen Wearables basiert dabei auf einer optischen Messung: Leuchtdioden (LEDs) senden grünes, rotes oder infrarotes Licht aus. Dieses Licht durchstrahlt das Gewebe oder wird an der Hautoberfläche reflektiert und trifft anschließend auf einen Fotodetektor. Mithilfe dieses Signals lässt sich dann beispielsweise die Herzfrequenz oder die Sauerstoffsättigung im Blut ableiten.
Das PPG-Verfahren ist eine einfache, kostengünstige Messtechnik und erfasst wichtige, gesundheitsbezogene Daten
Andreas Breidenassel
Bewegungsartefakte und unterschiedliche Hauttypen können die Genauigkeit der Messungen allerdings immens beeinflussen. Um diese Störungen zu verringern und die Datenqualität zu verbessern, untersucht Breidenassel zusammen mit seiner Kollegin Prof. Dr. Stefanie Remmele und dem wissenschaftlichen Mitarbeiter Maximilian Reiser zwei Ansätze: „Zum einen wollen wir mehrere Lichtquellen und Sensoren an unterschiedlichen Positionen einsetzen und die anfallenden Daten mithilfe von Algorithmen in Echtzeit analysieren“, erläutert Reiser, „damit ist die Wahrscheinlichkeit höher, dass wir auch in der Bewegung ein auswertbares Signal erhalten.“ Die Herausforderung bestehe allerdings darin, dass das System in Echtzeit erkennen muss, welche Licht-Sensor-Kombination gerade das beste Signal liefert. Dazu entwickeln die Forschenden einen intelligenten Algorithmus und füttern diesen anhand von Probandenstudien mit riesigen Datenmengen, um ihn zu trainieren.
Beim zweiten Ansatz ersetzt das Forscherteam die LEDs durch sogenannte Vertical-Cavity Surface-Emitting-Laser (VCSEL), die vermehrt in Smartphones zum Einsatz kommen. Ihr Vorteil: Die geringe Strahldivergenz könnte zu einer effizienteren Nutzung, geringerem Streulicht und damit zu einer robusteren Signalerfassung gegenüber Störungen führen. „Gerade in der Kombination dieser Ansätze – Multi-Lichtquellen, intelligente Algorithmen und Einsatz von Laserdioden – versprechen wir uns eine deutliche Verbesserungen der Datenqualität“, so Breidenassel. Sollte das gelingen, wäre das ein großer Nutzen für Gesellschaft und Medizin: „Das PPG-Verfahren ist eine einfache, kostengünstige Messtechnik und erfasst wichtige, gesundheitsbezogene Daten. Gleichzeitig halten Wearables immer stärkeren Einzug in unseren Alltag. Daher macht es Sinn, diesen Trend für die Medizin zu nutzen.“
Quelle: Hochschule Landshut
16.02.2021
