Sensortechnik für Gesundheit und Fitnessanwendungen

Die Basis für die Ermittlung des Zustands unserer Gesundheit war schon immer die Suche nach einem Weg, die grundlegenden Funktionen unseres Körpers zu überwachen und zu messen. Vor der Instrumentierung wurden visuelle Indikatoren verwendet, die es uns ermöglicht haben, zu wissen, wie hoch zum Beispiel unsere Körpertemperatur sein sollte, was ein gesunder Puls und was eine akzeptable Atmungsrate ist.

Heute benötigt eine immer älter werdende Bevölkerung eine gewisse Art von tragbarer Gesundheitsüberwachung, z. B. in Form von Geräten, die unter anderem in regelmäßigen Abständen Medikamente zuführen, das Herz stimulieren, den Blutzuckerspiegel messen oder Insulin injizieren. Dieser Artikel behandelt medizinische und Fitness-Sensoren – mit Kontakt oder kontaktlos, auf der Haut, unter der Haut oder im Inneren des Körpers – die den Konstrukteuren bereits jetzt oder in Kürze zur Verfügung stehen. Sämtliche Bauteile, Entwicklungstools, und Daten, auf die dieser Artikel verweist, sind auf der DigiKey-Website verfügbar.

Der Anfang ist einfach

Die schlichteste Form eines Sensors ist ein Wandler, der im einfachsten Fall aus zwei einander berührenden verschiedenen Substanzen bestehen kann. Das eigentliche Sensorelement kann als kleine verdrahtete Komponente ausgeführt oder Teil einer Fühler- oder Elektrodenanordnung sein. Es kann ein haarfeiner Draht sein, der selbst Spannung erzeugt. Thermoelemente sind Beispiele von aus unterschiedlichen Metallen bestehenden Sensoren, die eine temperaturabhängige Spannung erzeugen. Bauteile wie das nicht geerdete Omron E52-CA15AYD32 4M, messen Temperaturen mithilfe eines Elements vom K-Typ mit einem 3,2 mm starken Schutzmantel, der auf der Haut oder in Vertiefungen angebracht werden kann.

Mithilfe des Piezo-Effekts können winzige eingebettete Sensoren bei Stößen oder Vibrationen Energie abgeben. Ein kleiner nicht-intrusiver Skelett-Sensor könnte einem Footballspieler in Echtzeit eine zu hohe Belastung signalisieren und ihn vor schweren Verletzungen warnen. Die Miniaturisierung von Piezo-Sensoren bedeutet, dass diese in Textilien, Bandagen oder Kleidungstücken eingebettet werden können. Blattsensoren wie der 2-1004347-0 von TE Connectivity sind flexibel, faltbar und können in sehr speziellen Formen ausgeführt sein (Abbildung 1). Eine Schuheinlage könnte beispielweise ermitteln, ob beim Abwärtssteigen eine zu hohe Belastung auftritt und so bei der Diagnose von Rücken- oder Gelenkproblemen helfen.

Messwandler sind nützlich zur Aufnahme von realen Bedingungen, müssen aber kalibriert und linearisiert werden und es müssen Drift- und Temperatureffekte kompensiert werden. So können diese in kleine, intelligente elektronische Geräte integrierten Wandlersysteme zu eigenständigen Überwachungs- und Berichtssystemen werden.

Wir sind, was wir tragen

Forscher und Hersteller interessieren sich nun für tragbare medizinische und Fitnessgeräte für den Massenmarkt. Ein Ort, an dem aktive Projekte laufen, ist die Universität von Illinois. Dort werden die Geräte der nächsten Generation entwickelt, mit denen die aufgewendete Energie, die Herzfrequenz und deren Variabilität, die Hauttemperatur und EEG/EKG-Signale gemessen werden kann (Abbildung 2). Diese aufklebbaren Sensoren werden wie ein Heftpflaster getragen, sie können drahtlos mit einem Hub oder einem Router kommunizieren, der die erforderliche Bearbeitung durchführt oder die Daten an eine Cloud oder einen medizinischen Überwachungsdienst weiterleitet. Es kann auch ein lokales Smartphone verwendet werden.

Abbildung 2: Aufklebbare Sensoren sind eigenständige Messsysteme, die zur Überwachung des Trägers und für Meldungen an den Träger oder an medizinische Überwachungsdienste bestimmt sind, die sich an einem beliebigen Ort der Welt befinden können.

Dies ist nur ein Beispiel, wie aus in die Elektronik des Systems integrierten Messwandlern kleine und kompakte medizinische Geräte werden, die kaum auffallen. Sensoren können in Textilien eingewebt werden. So können physiologische Bedingungen überwacht werden, ohne dass ein Eingriff vorgenommen werden muss und ohne dass sperrigere medizinische Geräte am Körper getragen werden müssen. Eine derartige Technologie sind intelligente Socken, in deren Gewebe Dehnungssensoren eingebracht werden, die Schritte zählen und Geschwindigkeit, Kalorien und Entfernungen messen können. Sie können noch mehr. Diese Socken können auch die Höhe messen, sodass die Sauerstoffzufuhr entsprechend der vorhandenen Sauerstoffgehalts der Luft geregelt werden kann.

Ein weiterer Vorteil dieser intelligenten Socken ist die Möglichkeit, die Druckverteilung auf der Fußsohle zu messen und zu überwachen. Die Gewichtsverteilung beim Gehen und Aufsetzen des Fußes kann Kräfte, Stöße und Belastungen auf Knochen, Gelenke und Wirbel übertragen. Ein chronisches Rückenproblem kann oft direkt auf die Art zu gehen zurückgeführt und einfach und schnell abgestellt werden, sobald der Betreffende über die geeignete Technologie verfügt, dies zu erkennen und zu quantifizieren. Eine Person kann sogar in Echtzeit mithilfe eines Smartphones benachrichtigt werden, wenn sich die Situation verschlimmert (Abbildung 3).

Abbildung 3: Intelligente Socken mit im Gewebe eingebetteten Sensoren können in Echtzeit Daten an ein Smartphone senden. So können Personen mit chronischen Rücken- oder Gelenkschmerzen benachrichtigt werden, sobald sich die Situation verschlimmert, damit sie gegebenenfalls ihren Gang ändern können.

Bytes aus Gebissen generieren

Eine neue Idee, die die Konstrukteure seit Jahrzehnten beschäftigt, ist die Implantation von Elektronik in einem Zahn. Kürzlich haben Forscher an der Universität von Taipeh einen im Inneren eines Zahns angebrachten intelligenten Sensor entwickelt, der bei einer Auslösung durch Rauchen, Trinken, Husten, Sprechen oder Atemstillstand Daten überwachen, Protokollieren und Senden kann. Dieses nach Aussage der Entwickler zu bis zu 94 Prozent genaue Zahnimplantat kommuniziert über Bluetooth und kann innerhalb einer Füllung angebracht werden (Abbildung 4).

Abbildung 4: In einen Zahn implantierte Sensoren können chemische und physikalische Vorgänge erkennen und bei Rauchen, Trinken oder bei einem Atemstillstand einen lokalen Empfänger benachrichtigen.

Zähne sind ein Sonderfall, da mithilfe von Energieernte-Technologien (z. B. mithilfe der oben erwähnten Piezo-Technologie) Kräfte und Drücke generiert werden können, mit denen Sensoren betrieben werden können. Energieernte für am oder im Körper angebrachte Sensoren ist ein weiteres Forschungsgebiet an der Universität von Illinois. Dort wurde ein mechanisches Energieernte-Pflaster entwickelt, das aus dem Herzschlag Energie gewinnt und diese speichert (Abbildung 5). Ein Biokunststoff-Substrat enthält den Sensor und die Elektronik für die Energieverwaltung. So kann die aufgewendete Muskelarbeit gemessen und festgestellt werden, ob ein Athlet aufgewärmt oder übermüdet ist. Es wurde nachgewiesen, dass durch einfaches Biegen und Zurückbiegen des Harvesters ein 3,8-Volt-Akku geladen werden kann.

Die Möglichkeiten der Energieernte sind für Personen segensreich, die einen Herzschrittmacher benötigen. Es muss nicht mehr in regelmäßigen Abständen der Brustkorb geöffnet werden, um Batterien auszutauschen, sondern die implantierte regulierende Prothese könnte sich ständig selbst aufladen.

Abbildung 5: Energieernte-Pflaster wie dieses können auf Herz oder Lungen angebracht werden. Sie beziehen die Energie zum Laden und Betreiben von weiteren Sensoren und der Elektronik aus physischen Bewegungen.

So wird die Implantationstechnik wahrscheinlich ein Teil unseres täglichen Lebens werden. Ein Beispiel ist der in England entwickelte Digitale Gesundheitsassistent. Es handelt sich um einen implantierbaren Sensor, der erkennt, wenn es jemand „nicht gut“ geht, indem er Bewegungen, Gewohnheiten, Herzfrequenz, die Gemütslage und weitere Stoffwechselfunktionen misst.

Beachten Sie die Erkennung des Gemütszustands. Dies eröffnet die Möglichkeit von technologischen Lösungen auf dem neuen (zumindest für Sensoren) Gebiet der Bio-Depressionen. Es dauert vielleicht nicht mehr lange und wir verfügen über Sensoren, die bei Bedarf Antidepressiva verabreichen.

Die Sensortechnologie könnte auch die Frage aufwerfen: „Ist euch nichts mehr heilig?“ Sogar zwischenmenschliche Intimität kann mit Geräten wie dem Tactilu¹-Armband überwacht werden, das zwischen den Trägern virtuelle Berührungen übermitteln kann. Stellen Sie vor, unseren nicht zu bändigenden Jugendlichen würde ein digitalen Keuschheitsgürtel implantiert.

Zusammenfassung

Unser Medizinverständnis erlaubt uns intrusivere Methoden zur Messung und Überwachung von internen Vorgängen, die unsere Gesundheit betreffen. Dieser Trend hält an, solange die Ärzte Wege finden, weitere Sensoren für spezifische Stoffwechselindikationen einzusetzen. Wenn neue und intelligente Sensoren im und am Körper angebracht werden können, werden immer mehr von uns gehen, reden, essen und schlafen, während im Hintergrund aktive Sensoren unser Wohlbefinden überwachen. Wir werden zu drahtlosen Datenknoten in einem globalen Netzwerk. Hoffen wir, dass wir sicher vor Hackern sind.

Weitere Informationen zu den in diesem Artikel beschriebenen Produkten finden Sie über die bereitgestellten Links zu den Produktseiten auf der DigiKey-Website.

Referenzen

1. Tactilu