Foto einer Person vor einer Kamera
© Fraunhofer IMS
Optische Sensoren ermöglichen ein kontaktloses Screening von Patienten im Krankenhaus

Kontaktlose Messung von Herzfrequenz, Respirationsrate und Blutdruck

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

Quantifizierung von Vitalparametern

Vitalparameter sind wichtige Indikatoren für den Gesundheitszustand eines Menschen. Ohne die Vitalfunktionen ist kein Leben möglich und eine Störung kann schwerwiegende Erkrankungen zur Folge haben. Konventionelle Verfahren wie das EKG oder die Pulsoxymetrie haben den Nachteil, dass sie kontaktbasiert funktionieren. Neben dem geringen Komfort beim Tragen stellt dies ein Problem bei Menschen mit sensibler Haut, wie z. B. bei Neugeborenen oder älteren Menschen, dar. Eine Lösung besteht in der optischen kontaktlosen Messung von Vitalparametern. Das IMS erforscht dabei eine möglichst genaue und schnelle Detektion der Vitalparameter in verschiedenen Wellenlängenbereichen und quantifiziert diese mittels Methoden des maschinellen Lernens.

GUI Respirationsrate.
© Fraunhofer IMS
GUI zur optischen Bestimmung der Respirationsrate

Die folgenden Vitalparameter werden dabei wissenschaftlich untersucht:

  • Herzfrequenz
  • Respirationsfrequenz
  • Sauerstoffsättigung
  • Blutdruck
  • Blutzucker

Es werden dabei verschiedene Methoden aus der Bildverarbeitung und Signalverarbeitung eingesetzt, um die kontaktlose Vitalparametermessung mit verschiedenen optischen Sensoren durchführen zu können. Insbesondere der Einsatz von neuronalen Netzen zur Detektion dieser Parameter stellt einen wichtigen Forschungsschwerpunkt dar. Zusammen mit Partnern aus Industrie und Medizin überführen wir unsere Visionen des Gesundheitsmonitorings mit Hilfe der kontaktlosen Vitalparametermessung bis hin zur Serienreife.

Für die kontaktlose Vitalparametermessung ergibt sich eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten:

  • Screening im Krankenhaus
  • Zugangskontrollen zum Ausschluss von Menschen mit Krankheitssymptomen
  • Gesundheitsmonitoring im Bereich Ambient Assisted Living (AAL)
  • Trainingsmonitoring in der Rehabilitation
  • Fahrermonitoring auf dem Weg zum autonomen Fahren
  • Marketingforschung
  • Schlaflabor

Eine Anwendung, die Zugangskontrolle im Krankenhaus, soll im Folgenden näher beschrieben werden.

Eine der effektivsten Maßnahmen zur Eindämmung der aktuellen COVID-19 Pandemie ist sozialer Abstand und Isolation von Infizierten. Insbesondere im Eingangsbereich der Krankenhäuser, wo viele kranke und geschwächte Menschen zusammenkommen, ist eine räumliche Trennung von SARS-CoV-2 Infizierten und anderen Patienten, Ärzten und Pflegekräften essentiell.

Da die Auswertung von Labortests zur Erkennung des Virus noch deutlich zu lange dauert, müssen zur Identifikation potentiell infizierter Patienten die Hauptsymptome von COVID-19, Fieber und Kurzatmigkeit, analysiert werden. Während Fieber einfach und kontaktlos mit einer Infrarot-Kamera gemessen werden kann, gab es bisher kein vergleichbar einfaches Messsystem für die Analyse der Atemfrequenz.

Optische Sensoren ermöglichen ein kontaktloses Screening von Patienten im Krankenhaus.
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Optische Sensoren ermöglichen ein kontaktloses Screening von Patienten im Krankenhaus.

Daher wurde ein auf Bildverarbeitung basierendes System entwickelt, das über eine handelsübliche RGB-Kamera die Atemfrequenz genau bestimmen kann. Intelligente Bildverarbeitung analysiert dabei die Bewegung des Brustkorbs und filtert das Signal der Atembewegung heraus. Ankommende Patienten stellen sich für 30 Sekunden vor die Kamera, und das betreuende Krankenhauspersonal kann anschließend basierend auf dem angezeigten Frequenzwert (und ergänzend der Körpertemperatur) eine Einschätzung des Patienten vornehmen.

Während der Messung kann problemlos ein Sicherheitsabstand von mindestens zwei Metern gewahrt werden. Die Messung ist komplett kontaktlos, sodass eine Kontamination von Geräten ausgeschossen und die Infektionsgefahr für das Personal deutlich verringert wird. Zudem ist das Tragen eines Mund-Nasen-Schutzes möglich und schränkt die Messung nicht ein.

Videos oder persönliche Daten werden nicht übertragen, da das System lokal und ohne Anbindung an die Krankenhaus-Infrastruktur oder das Internet funktioniert und aufgenommene Bilder sofort nach Auswertung gelöscht werden. Das beschriebene System zur Atemfrequenzmessung wird derzeit in klinischen Studien evaluiert.

Unsere Technologien – Innovationen für Ihre Produkte

Personenerkennung

Mit einer speziellen Merkmalsextraktion wird die Erkennung von Personen auf kleinen eingebetteten Systemen ermöglicht.

 

Bewegungsanalyse

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

Kontaktlose Messtechnik

Geringeres Ansteckungsrisiko und Entlastung des Medizinpersonals durch innovative kontaktlose Messtechnik

Unsere Technologiebereiche – Unsere Technologien für Ihre Entwicklung

Kommunikation und Vernetzung

Kommunikationsschnittstellen erlauben den Datenaustausch mit anderen Geräten und die Anbindung an Netzwerke.

User Interfaces

User Interfaces als Schnittstelle zwischen Gerät und Anwender erlauben die Konfiguration und die Bedienung eines Produkts.

Maschinelle Lernverfahren für Embedded-Systems

Künstlicher Intelligenz auf ressourcenbegrenzten Systemen dient zur Gewinnung höherwertiger Informationen aus Sensorrohdaten.

Computer Vision

Computer Vision extrahiert das Maximum an Informationen aus Bilddaten.

 

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