LED-Chips (Kantenlängen 230 bis 380 µm) eingebettet in einer Strahlergrube eines Photodetektor-Wafers
Weltweit arbeiten Forschung und Industrie an Health Wearables, mobilen und kaum sichtbaren Systemen, die mit hohem Komfort und unter Alltagsbedingungen Vitalparameter aufnehmen, analysieren und Medizinern zur Bewertung zur Verfügung stellen können.
Die kontinuierliche Aufzeichnung von sogenannten peripheren Photoplethysmogrammen soll in Zukunft weitere wertvolle Aussagen zur Gesundheit des Menschen liefern. Dazu zählen neben dem Puls und der arteriellen Sauerstoffsättigung, die Herzratenvariabilität, die Atemfrequenz sowie Informationen zur Gefäßsteifigkeit und Anzeichen von steigenden oder fallenden Blutdruck.
Ein erhöhter Blutdruck ist heute wichtigster Risikofaktor für Herz-Kreislauf-Erkrankungen.
Die notwendigen Rohdaten werden aus der Form der Pulswelle und deren zeitlichen Verhalten entnommen. Eine hohe Qualität der Sensorsignale und die Anwendung geeigneter mathematischer Algorithmen in der Datenanalyse sind zwingende Voraussetzungen für vielfältige medizinisch Anwendungen.
Auf der Messe stellt dazu das CiS Forschungsinstitut miniaturisierte, in Silizium integrierte, multispektrale Photoplethysmographie-Sensoren vor. Diese werden im äußeren Gehörgang platziert und sind individuell auf den Patienten abgestimmt.
Leistungsfähigkeit des Sensors und hoher Tragekomfort standen bei der Entwicklung im Vordergrund.
Bis zu 4 LEDs verschiedener Wellenlängen werden gegenwärtig genutzt, um zusätzlich Messwerte aus verschiedenen Gewebetiefen aufnehmen zu können und um Bewegungsartefakte zu erkennen und zu eliminieren. Der optische Sensor kann darüber hinaus zur Messung der Temperatur genutzt werden.
Gelungen ist den Erfurter Wissenschaftlern dieser Erfolg durch einen ganzheitlichen Entwicklungsansatz. Dieser umfasst alle technologischen Schritte vom Sensordesign bis zur Sensorfertigung im eigenen Hause, aber auch auch das notwendige Systemwissen, speziell zur optischen Simulation des Hautmodells und zur elektronischen Signalerfassung, deren Verarbeitung und Optimierung.
Technologische Besonderheiten der mikrosensorischen Lösung liegen in der Verwendung von 3D-strukturierten Siliziumwafern, auf denen bereits die Photodetektoren integriert sind. Anzahl und Wellenlängen der Lichtquellen werden nach exakter Spezifikation mit hoher Präzision als Nacktchips in die vorgegebene Kavitäten des Siliziumwafers montiert.
Im Rahmen eines begleitenden, noch laufenden Forschungsprojektes arbeiten die Wissenschaftler und Ingenieure des CiS Forschungsinstituts bereits an der nächsten Aufgabe. Mittels Laser-Doppler-Prinzip sollen Informationen zum Blutfluss und Perfusion im Gewebe gewonnen werden.
Die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten wurden in Teilergebnisen gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (FKZ: VP2020410KJ2, VF140011 und VF120024).
Projektpräsentation zur:
Hannover Messe, 25.-29. April 2016, Hannover, Halle 4 Stand F34
SENSOR+TEST, 10.-12. Mai 2016, Nürnberg, Halle 5 Stand 5-364
