Kontaktlose und körpernahe Sensorik für die Anwendung in der Medizintechnik und Pflegeunterstützung
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Kontaktlose und körpernahe Sensorik für die Anwendung in der Medizintechnik und Pflegeunterstützung

Nicht-invasive Healthcare

Das Fraunhofer IMS entwickelt kontaktlose und körpernahe Sensorik für die Anwendung in der Medizintechnik und Pflegeunterstützung

Nicht-invasive Healthcare

Nicht-invasive Healthcare mit Embedded KI zur lokalen, energiesparenden und selbstlernenden Analyse von z. B. EKG-Daten
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Nicht-invasive Healthcare mit Embedded KI zur lokalen, energiesparenden und selbstlernenden Analyse von z. B. EKG-Daten

Das Fraunhofer IMS entwickelt im Rahmen des Anwendungsfeldes Nicht-invasive Healthcare smarte Sensor-Assistenzsysteme, die kontaktlos oder körpernah Vitalparameter erfassen und diese direkt auswerten. Vitalparameter wie Herz- und Atemfrequenz, Sauerstoffsättigung und Blutdruck stellen einen wichtigen Indikator für den Gesundheitszustand eines Menschen dar. Eine Störung der Vitalfunktionen kann schwerwiegende Erkrankungen zur Folge haben. Eine frühzeitige Erkennung und Behandlung von Volkskrankheiten wie beispielsweise Schlaganfall, Bluthochdruck, Schmerz und Fatigue ist das Ziel unserer Forschungs- und Entwicklungsarbeiten.

Bisher sind medizintechnische Lösungen zur engmaschigen Kontrolle nur direkt am Patienten, stationär mit aufwendiger Verkabelung verfügbar oder erlauben keine kontinuierliche Erfassung und direkte Verarbeitung, wie zum Beispiel bei einem Langzeit-EKG. Die Lösungen sind in der Regel für den Patienten unkomfortabel und störend und können Hautschädigungen, insbesondere bei sensibler Haut, wie bei Neugeborenen und älteren Menschen, hervorrufen. Die Daten bei diesen Systemen werden meist erst im Nachhinein ausgewertet, was bei Risikopatienten fatale Folgen haben und zu Folgeschäden führen kann. Für eine kontinuierliche Datenauswertung auf einem Server müsste eine permanente Internetverbindung sowie verschlüsselte Übermittlung- und Archivierungsprotokolle der personenbezogenen Gesundheitsdaten sichergestellt sein.

Im Bereich der Pflege wird der demografische Wandel in der Gesellschaft und der inzwischen unbestrittene Mangel an Pflegekräften zwangsläufig zum Einsatz von technischen Lösungen führen, um die gesellschaftliche Aufgabe der Pflege noch bewältigen zu können. Ein wichtiger Aspekt bei solch komplexen Techniklösungen ist ihre Bedienbarkeit durch den Anwender und die damit verbundene Akzeptanz für den Einsatz. Von zentraler Bedeutung ist bei solchen Assistenzsystemen daher die Schnittstelle zum Menschen, die im Idealfall eine intuitive Bedienung auch durch ungeschulte Anwender und eine automatisierte Dokumentation erlaubt.

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.

Nicht-invasive Healthcare mittels optischer kontaktloser Vitalparametermessung
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Nicht-invasive Healthcare mittels optischer kontaktloser Vitalparametermessung

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.

Smart Patches
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Smart Patches mit Embedded KI zur lokalen Analyse von Vitalparametern

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).

Healthcare Funksysteme
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Healthcare Funksysteme
Mit dem Biofeedback-System wird erstmalig professionelle Schwindeltherapie auch zu Hause ermöglicht.
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CE-zertifiziertes EQUiVert System zur professionellen Schwindeltherapie

 

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.

Hospital Engineering: Reallabor Umgebung für Erprobung von Nicht-invasiver Healthcare Applikationen
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Hospital Engineering: Reallabor Umgebung für Erprobung von Nicht-invasiver Healthcare Applikationen

Unsere Anwendungen – Beispiele was wir für Sie tun können

Kontaktlose Vitalparametermessung

Die kontaktlose Messung von Vitalparametern bietet eine Möglichkeit, Gesundheitsparameter schnell, genau und komfortabel zu messen

Bewegungsanalyse

Die Bewegungsanalyse erlaubt die Erkennung von Anomalien und ermöglicht dadurch z. B. eine Sturzprävention.

Unsere Anwendungsfelder – Unsere Expertise für Sie

In-situ Diagnostik

Wir entwickeln smarte optische und elektrische Biosensor-Systeme für diagnostische Point-of-Care (PoC) Anwendungen

Medizinische Implantate

Wir entwickeln smarte medizinische Multisensor-Implantate für Closed-Loop Diagnostik und Therapie

 

Health (Home)

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