Neue Elektronik

Jul 01, 2023

Wie tragen neue Sensortechnologien dazu bei, medizinische Fernüberwachungstechniken bereitzustellen und die Lebensqualität eines Patienten zu verbessern? Borut Kastelic erklärt

Die Erfassung von Daten zu Vitalfunktionen – wie Herzfrequenz, Atemkapazität, Blutsauerstoffgehalt und Temperatur – ist ein wesentlicher Bestandteil der Bereitstellung einer angemessenen Gesundheitsversorgung für die Öffentlichkeit.

Dies kann entweder als Vorsichtsmaßnahme eingesetzt werden, um potenzielle Probleme sofort aufzudecken und dann eine schnelle Diagnose zu ermöglichen, oder um den Schweregrad zu beurteilen und anschließend eine bestehende medizinische Beschwerde zu kontrollieren.

Traditionell wurde diese Art der Überwachung unter Aufsicht durchgeführt, oft im klinischen Umfeld. Die Zeiten ändern sich jedoch und dies führt zu einem neuen Ansatz in Bezug auf diese Aktivitäten, bei dem die Fernüberwachung mittlerweile zu einem unschätzbar wertvollen Instrument für die Ärzteschaft wird.

Mehrere Dynamiken treiben die Abkehr von der klinisch basierten Überwachung hin zur Durchführung solcher Arbeiten aus der Ferne voran. Für Menschen mit Langzeiterkrankungen liegt der Schwerpunkt auf der Verbesserung der Lebensqualität. Es bietet erhebliche Vorteile, den Menschen einen längeren Aufenthalt in ihren eigenen vier Wänden zu ermöglichen, da medizinische Eingriffe in Krankenhäusern oder anderen Einrichtungen nur dann vorgenommen werden, wenn dies unbedingt erforderlich ist. Der Aufenthalt in einer vertrauten Umgebung kann Stress und Ängste reduzieren und das Infektions- oder Verletzungsrisiko verringern, das dadurch entsteht, dass schutzbedürftige Patienten weite Strecken zurücklegen müssen, um wiederkehrende Termine wahrzunehmen. Damit verbunden ist die Notwendigkeit, überlastete zentrale Gesundheitsdienste zu entlasten und qualifiziertes Personal und Bettenplätze für Patienten freizugeben, die wirklich eine engagierte Pflege benötigen.

Darüber hinaus werden die Menschen im Allgemeinen gesundheitsbewusster als früher. Folglich möchten sie stärker in die Kontrolle ihres eigenen Wohlbefindens einbezogen werden. Die Möglichkeit, ihren Biorhythmus bequem und ohne Krankenhaustermine überwachen zu können, ist daher äußerst attraktiv.

Aufgrund des demografischen Wandels wird auch die Fernüberwachung in Zukunft immer wichtiger, da sich die Welt mit einer immer älter werdenden Bevölkerung auseinandersetzt. Nach Angaben der Weltgesundheitsorganisation (WHO) wird sich der Anteil der über 60-Jährigen bis 2050 verdoppelt und die Zahl der über 80-Jährigen verdreifacht haben.

Der Zugang zu regelmäßig aktualisierten Informationen über gesundheitsbezogene Parameter, die aus der häuslichen Umgebung stammen, wird eine Schlüsselrolle dabei spielen, ältere Menschen länger gesund zu halten. Es kann auch dazu beitragen, dass Einzelpersonen ein unabhängiges Leben behalten.

Wahrnehmungstechniken

Es ist eine Reihe von Sensormethoden entstanden, mit denen eine medizinische Fernüberwachung durchgeführt werden kann. Diese bieten die Genauigkeit, einfache Implementierung und Portabilität, die solche Anwendungen eindeutig erfordern. Einige davon sind bereits etabliert, während andere gerade erst begonnen werden, erforscht zu werden.

Photoplethysmographie (PPG) – Hierbei handelt es sich um eine unkomplizierte und kostengünstige optische Technologie, mit der nicht-invasive Messungen durchgeführt werden können. Typischerweise wird es auf die Fingerspitzen, Ohrläppchen oder Handgelenke des Patienten aufgetragen. LEDs senden Licht aus, das auf die Haut des Probanden fällt. Anschließend misst die zugehörige Fotodiode Änderungen der Lichtintensität, die durch das Blutvolumen oder den Sauerstoffgehalt verursacht werden. PPG kann zur Messung von Herzfrequenz, Atemfrequenz (RR) und Herzfrequenzvarianz (HRV) sowie als Pulsoximeter zur Bestimmung der peripheren kapillaren Sauerstoffsättigung (SpO2) eingesetzt werden. Mit den richtigen Algorithmen ist es auch möglich, PPG zur Blutdruckmessung zu nutzen.

Der Nachteil dieser Technik besteht jedoch darin, dass sie bekanntermaßen durch Körperbewegungen beeinflusst wird. Dies wirkte sich nachteilig auf die Genauigkeit aus, wenn es im tragbaren Kontext angewendet wurde. In den letzten Jahren wurden Fortschritte bei den Sendern und Empfängern, verbesserte Algorithmen und eine bessere Rauschminderung innerhalb der Signalkette beobachtet. All dies hat dazu beigetragen, dass PPG besser für die Fernüberwachung von Vitalfunktionen geeignet ist.

Elektrokardiogramm-Technologie (EKG). - Hierbei handelt es sich um eine bewährte Methode zur Erkennung der elektrischen Signale des Herzens bei jedem Herzschlag. Es wird typischerweise verwendet, um Unregelmäßigkeiten zu erkennen – wie Herzrhythmusstörungen, Vorhofflimmern (das eine häufige Ursache für Schlaganfälle ist) und Kardiomyopathie. Herkömmliche EKG-Geräte waren teuer und sperrig, sodass diese Tests in einer Krankenhausumgebung durchgeführt werden mussten. Während der Test selbst normalerweise nur wenige Minuten dauerte, konnte die Beeinträchtigung für den Patienten erheblich sein. Zu den ersten Versuchen, die Technologie für den persönlichen Gebrauch weiterzuentwickeln, gehörte das Experimentieren mit der Entwicklung eines T-Shirts mit verteilten EKG-Sensoren.

Innerhalb des letzten Jahrzehnts haben die Miniaturisierung und die Einführung energieeffizienterer Sensoren dazu geführt, dass diese Technologie erfolgreich für den Einsatz in tragbaren Geräten adaptiert wurde (z. B. in Smartwatches und Fitnessbändern). EKG-Messungen können jetzt einfach durch den Kontakt mit einem intelligenten tragbaren Gerät durchgeführt werden, normalerweise über den Finger. Durch die drahtlose Konnektivität ist es auch möglich, die Ergebnisse aus der Ferne mit qualifiziertem medizinischem Personal in der Klinik/im Krankenhaus zu teilen.

Temperaturüberwachung – Obwohl oft übersehen, ist dies ein entscheidender Indikator für den Gesundheitszustand eines Patienten. Die jüngste COVID-Pandemie war ein Paradebeispiel dafür und hat den Bedarf an einer genauen, berührungslosen Temperaturüberwachung in großem Maßstab beschleunigt. Auf individueller Ebene stehen bereits kleine, medizinische Temperatursensoren zur Messung der Oberflächentemperatur der Haut zur Verfügung. Anschließend werden die Hauttemperaturdaten kalibriert, um die tatsächliche Körpertemperatur abzuschätzen. Dies erspart das Einführen eines Thermometers und ermöglicht eine ständige Überwachung. Dennoch muss anerkannt werden, dass noch einige Hindernisse zu überwinden sind. Derzeit werden Möglichkeiten untersucht, einen solchen Sensor zuverlässig im Ohr (über Ohrhörer) anzubringen, da die Hauttemperatur hier stabiler und näher an der tatsächlichen Körpertemperatur ist.

Elektrochemische Sensoren - Diese können bestimmte Biomarker erfassen. Hier besteht das Potenzial, Krebsdiagnosen zu beschleunigen und Erkrankungen wie Diabetes besser zu erkennen und zu kontrollieren. Diese Technologie wird bereits in Fitnessgeräten zur Schweißüberwachung (als allgemeiner Gesundheitsindikator) eingesetzt, und einige Erfolge wurden bei der Entwicklung von Glukoseüberwachungsgeräten in Verbindung mit Smartphones erzielt. Bei anderen medizinischen Anwendungen gibt es jedoch weiterhin Herausforderungen. Dazu gehören die Möglichkeit, ausreichend Schweißproben zu sammeln, die Notwendigkeit, mehrere Indikatoren mit nur einem Sensor erfassen zu können (da kein einzelner Analyt allein einen eindeutigen Indikator für den allgemeinen Gesundheitszustand liefern kann) und das Fehlen klinischer Daten zur Korrelation zwischen Analyten Konzentrationen im Blut und Analytkonzentrationen im Schweiß.

Faser-Bragg-Gitter (FPGs) - Diese Technologie ist bereits Teil der medizinischen Analyse im klinischen Umfeld und könnte möglicherweise auch in der Fernüberwachungshardware eingesetzt werden (und eine potenziell hochpräzise Alternative zu den vorhandenen optisch ausgerichteten Erfassungsmechanismen bieten). FPGs werden hergestellt, indem der Kern einer Singlemode-Faser seitlich einem periodischen Muster intensiven Laserlichts ausgesetzt wird und dann die inkrementellen Unterschiede in den Lichtstärken gemessen werden.

Die unterstützende Elektronik

Im Hinblick auf die elektronische Hardware, die zur Messung der verschiedenen gerade besprochenen Parameter der menschlichen Gesundheit verwendet wird, müssen Gerätehersteller in der Lage sein, die effektivsten Lösungen zu finden. Diese müssen klare Leistungsvorteile bieten und gleichzeitig kompakt und energieeffizient sein (angesichts der tragbaren, batteriebetriebenen Natur der Geräte, in denen sie eingesetzt werden). Darüber hinaus müssen sie zu attraktiven Preisen platziert werden, damit die mit vielen dieser Anwendungen verbundene Kostensensibilität berücksichtigt wird.

Dank starker Beziehungen zu namhaften Anbietern hat EBV Elektronik ein umfangreiches Produktportfolio für diese Anwendungen entwickelt, das die neuesten Innovationen in den Bereichen Optoelektronik, Wärmesensoren, Mikrocontroller, NFC-Konnektivität und BLE-Kommunikation umfasst.

Mit umfangreichen I/O-Funktionen kann das AS7050 Biosignalsensor-Analog-Frontend von ams OSRAM 8 LED-Ausgänge und die Eingänge von 6 Fotodioden verarbeiten. Es unterstützt PPG- und EKG-Betrieb sowie Temperaturmessung über seinen integrierten NTC. Es eignet sich für den Einsatz in Verbraucher-Wearables sowie in medizinischen Überwachungspflastern.

Das Referenzdesign „Smart Oximeter“ von Renesas mit zugehöriger mobiler App bietet OEMs eine Komplettlösung, die sich einfach in ihre Geräte integrieren lässt. Es besteht aus einer Biosensorplatine mit kleinem Formfaktor (nur 4,2 mm x 2 mm x 1,2 mm), die mit dem multifunktionalen OB1203-Sensormodul des Unternehmens ausgestattet ist. Dadurch können Herzfrequenz-, Pulsoximetrie- und SpO2-Daten erfasst werden. Ein BLE-Transceiver-Element ermöglicht die drahtlose Datenübertragung.

Die Zukunftsperspektive

Der Markt für medizinische Fernerkundungstechnologie wächst dramatisch, beeinflusst durch ein größeres Gesundheitsbewusstsein, eine alternde Bevölkerung und nur begrenzte klinische Ressourcen, die zur Bewältigung der ständig steigenden Anforderungen zur Verfügung stehen. Auch das Aufkommen von Wearables für Verbraucher zur allgemeinen Gesundheitsüberwachung und Fitness-Tracking steigert die Erwartungen.

Der Zugang zu leistungsstärkeren Sensoren und Signalaufbereitungsgeräten in Kombination mit ausgefeilteren Algorithmen wird dazu führen, dass die mit tragbaren Geräten erzielten Ergebnisse denen von klinischen Instrumenten näherkommen.

Angaben zum Autor:Borut Kastelic, Business Development Manager für Medizin, EBV