Nicht-invasive Healthcare

In den genannten Anwendungen werden in der Regel zahlreiche Sensordaten erfasst, die gesammelt, verarbeitet und ausgewertet werden müssen. Dabei können umfangreiche Datenmengen entstehen, für die keine ausreichende Übertragungsbandbreite zu einer Cloud-Anwendung besteht oder für die keine lange Latenzzeit bis zur Auswertung zulässig ist. In solchen Fällen besteht die Möglichkeit, mit Hilfe von Algorithmen, die auf künstlicher Intelligenz bestehen (Embedded KI), z. B. mit neuronalen Netzen, eine komplexe Datenverarbeitung und -bewertung direkt am Ort der Erfassung zu implementieren. Dafür ist nicht zwingend eine komplexe Hardware mit hoher Rechenleistung erforderlich; ein kleiner energieeffizienter Mikrocontroller reicht in vielen Anwendungsfällen aus. In manchen Fällen  werden spezielle KI-Hardwarebeschleuniger benötigt, damit die Algorithmen noch schneller und effizienter arbeiten können.

Eine Lösung stellt die Nicht-invasive Healthcare mittels optischer kontaktloser Vitalparametermessung dar. Das Fraunhofer IMS erforscht bei der Nicht-invasiven Healthcare eine möglichst genaue und schnelle Detektion von Vitalparametern mittels optischer Erfassung in verschiedenen Wellenlängenbereichen und quantifiziert diese mittels Methoden des maschinellen Lernens. Unser neuartiger Ansatz zur kontaktlosen Messung nutzt die kamerabasierte Photoplethysmographie (PPG). Die physikalische Grundlage dieser Technik sind die unterschiedlichen Absorptions- bzw. Reflexionsspektren der menschlichen Haut. Durch Messung und Analyse des zeitlichen Verlaufs von Farb-, Spektral- und Temperaturwerten der menschlichen Haut können verschiedene Vitalparameter bestimmt werden. So kann die Herzrate mittels Farbbildanalyse sowie Extraktion und Filterung von PPG-Signalen gemessen werden. Durch eine eingehende Analyse von RGB (rot, grün, blau) PPG-Signalen können auch die Atemfrequenz und die Sauerstoffsättigung berührungslos bestimmt werden.

Weiterhin arbeitet das Fraunhofer IMS im Anwendungsfeld Nicht-invasive Healthcare an der nächsten Generation von körpernahen Sensoren, so genannten Smart Patches, die komfortabel getragen werden können. Die Analyse wird dabei direkt auf dem Patch mittels integrierter künstlicher Intelligenz vorgenommen. Eine lokale Verarbeitung in ausreichender Detektionsgüte ist mit herkömmlicher Signalverarbeitung bisher nicht möglich, da insbesondere digitale Filter eine hohe Rechenkapazität benötigen. Dies geht einher mit einer großen Baugröße, einem hohen Gewicht, einem hohen Energieverbrauch, einer geringen Akkulaufzeit sowie erhöhten Kosten. Eine Lösung stellt eine lokale künstliche Intelligenz (Embedded KI) dar, die direkt auf dem Patch eine Analyse vornimmt und dabei ressourcenschonend ist. Für die Integration in batteriebetriebene Geräte im Langzeiteinsatz muss die Verarbeitung auf ressourcenbegrenzter Hardware bewältigt werden. Spezielle KI-Hardwarebeschleuniger werden benötigt, damit die Algorithmen noch schneller und effizienter arbeiten können.

Bei der Ideenfindung, Konzeption und Entwicklung der Sensor-Assistenzsysteme hat das Fraunhofer IMS sowohl die Möglichkeit, bereits verfügbare Komponenten einzusetzen, als auch neue Komponenten auf der Basis von IMS-Technologien zu entwickeln und diese zu einem komplexen System zu integrieren, um Lösungen aus einer Hand anzubieten. Zu diesen IMS-Technologien gehören spezielle Sensoren, kundenspezifische elektronische Bauelemente, Funksysteme und Embedded Systeme (Hardware und Software).

Gemeinsam mit den Kunden bringen wir - wenn benötigt - die Entwicklung bis zur CE-Zertifizierung. Ein erfolgreiches Beispiel eines zugelassenen Medizinprodukts ist das elektronisches Assistenzsystem EQUIVert, welches speziell für Patienten mit einer Schwindelsymptomatik entwickelt wurde, um sowohl den Arzt bei der Schwindeldiagnose und Therapiefindung zu unterstützen und ihn bei der Schwindeltherapie der Patienten zu entlasten, als auch dem Patienten ein eigenständiges regelmäßiges Training zu ermöglichen.

In dem Living Lab des Fraunhofer-inHaus-Zentrum mit seinem Hospital Engineering und intelligentem Pflegezimmer können die neuartigen elektronischen Assistenzsysteme unter realistischen Bedingungen evaluiert, optimiert und so bestmöglich auf den Anwendungsfall und den Markt zugeschnitten werden.