Wearables in der Medizin Kleiner Sensor misst Vitalparameter im Ohr

Autor / Redakteur: Johannes Kreuzer * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Mit der Sensorplattform earconnect für Sportmedizin, Fitness und Medizin lassen sich verschiedene Vitalparameter unter mobilen Bedienungen im äußeren Gehörgang messen.

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Mobile Sensorplattform: Vitalparameter wie Pulsfrequenz, Herzratenvariabilität, Körpertemperatur und Sauerstoffsättigung lassen sich im äußeren Gehörgang des Ohres messen. Anschließend können die Messwerte auf ein Smartphone übertragen werden.
Mobile Sensorplattform: Vitalparameter wie Pulsfrequenz, Herzratenvariabilität, Körpertemperatur und Sauerstoffsättigung lassen sich im äußeren Gehörgang des Ohres messen. Anschließend können die Messwerte auf ein Smartphone übertragen werden.
(Bild: Cosinuss)

Mehr als 30 Jahre war die Herzfrequenz der einzige Vitalparameter, der mobil in Sport und Fitness messbar war. Erfasst wird die Herzfrequenz dabei über einen Brustgurt. Doch dank verschiedener Techniken und Entwicklungen bei der Elektronik ist es jetzt möglich, mehrere Vitalparameter gleichzeitig und präzise zu messen.

Vor allem die stromsparende Datenübertragung über Bluetooth 4.0 und ANT+ haben zusammen mit miniaturisierter Elektronik bei steigenden Rechenleistungen sowie neuen Akkutechniken dafür gesorgt, dass sich medizinische Standard-Vitalparameter unter mobilen Bedingungen messen lassen. Hier muss allerdings deutlich unterschieden werden zwischen Messgeräten, die relevante Daten generieren und den zahlreichen Fitness-Apps, die eher Spielerei sind.

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Die Anforderungen an eine mobile Sensorik

Doch welche Anforderungen werden an mobile Sensorik bei Sportmedizin und Fitness gestellt? So darf die Messung nicht invasiv sein und die Messgeräte müssen über eine lange Akkulaufzeit verfügen und einfach zu bedienen sein. Zudem kommt es in der Sportmedizin darauf an, dass die Geräte präzise, zuverlässig und genau arbeiten.

Doch das ist nicht alles. Weitere Anforderungen an das Messsystem, die berücksichtigt werden müssen sind eine starke Schweißbildung, Störungsunterdrückung oder Messung unter starken Bewegungen. Sind die Anforderungen definiert stellt sich die Frage nach dem Messort. Denn nicht überall lassen sich Vitalparameter erfassen. Das kann beispielsweise enganliegend an der Kleidung sein, auf der Haut aufgeklebt, ein Gurt um die Brust oder am Kopf an der Brille, im Ohr oder am Helm. Zudem eignet sich nicht jedes Messverfahren. Vitalparameter können elektrisch oder optisch gemessen werden. Auch lässt sich Druck und Temperatur messen.

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Seit über 40 Jahren wird das Messverfahren der Plethysmografie verwendet, dessen Haupteinsatzgebiet die Pulsoximetrie ist. Damit lässt sich die arterielle Sauerstoffsättigung bestimmten. Das Verfahren wird seit einigen Jahren auch in der Sportmedizin und im Fitnessbereich eingesetzt, um die Pulsfrequenz zu messen.

Messungen am Handgelenk sind ungeeignet

Dabei wird das Gewebe mit Licht durch- bzw. angeleuchtet. Die aus dem Gewebe heraustretende Lichtintensität wird dabei optimaler Weise nur von den pulsierenden Arteriolen moduliert, wodurch mit Hilfe der Frequenzanalyse auf die Herzfrequenz geschlossen werden kann. Leider wird durch Bewegung das venöse Blut auch bewegt, sodass es zu starken Störungen und Bewegungsartefakten im optischen Rohsignal kommt. Deshalb werden Beschleunigungssensoren eingesetzt, um die Störfrequenzen zu detektieren und somit aus den Rohsignalen zu eliminieren.

Messungen am Handgelenk mit den sogenannten Smartwatches haben im Sport den großen Nachteil, dass sie starken Bewegungen ausgesetzt sind. Denn gerade die Arme und Handgelenke sind es, die beim Sport bewegt werden. Somit kommt es je nach Einsatz zu mehr oder weniger starken Störungen, die eine Messung verschlechtern und schlimmstenfalls unmöglich machen.

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Dieser Autorenbeitrag ist in der Printausgabe ELEKTRONIKPRAXIS 16/2015 erschienen. Diese ist auch als kostenloses ePaper oder als pdf abrufbar.

Viel besser für die optische Pulsfrequenzmessung eignet sich als Messort das Ohr. Oder genauer der äußere Gehörgang. Auch dort ist es möglich, die Pulsfrequenz optisch zu messen. Dabei bietet der Gehörgang als Messort drei große Vorteile: 1. Der Kopf und damit auch das Gehirn sind anatomisch bedingt geschützt und weniger bewegt als andere Stellen am Körper. 2. Das Umgebungslicht ist eine der Störgrößen bei optischen Messverfahren. Im Gehörgang ist das Umgebungslicht dagegen stark reduziert. 3. Im Gehörgang gibt es keine Muskeln, Sehnen und Bänder, die durch Kontraktion zu Bewegungsartefakten führen können. Als möglicher Nachteil gegenüber dem Handgelenk können nur Kieferbewegungen angeführt werden, welche mit Bewegungssensorik allerdings nicht genau genug erfasst werden können.

Messeinheit sitzt hinter dem Ohr

Für die Messung im äußeren Gehörgang werden Lichtemitter an der Haut des Gehörgangs mit Hilfe elastischer Silikonschirmchen platziert. Dabei handelt es sich meist um grüne LEDs. An einer davon entfernten Stelle wird das austretende Licht mit einer Photodiode erfasst und in Strom umgewandelt, welcher in der Messeinheit hinterm Ohr erfasst wird. Dort sitzt die dazu gehörige miniaturisierte Messtechnik, Stromversorgung und Rechenleistung. Die analogen Signale werden digitalisiert, verarbeitet und via Bluetooth 4.0 oder ANT+ an passende Empfängergeräte gesendet. Durch den Einsatz von Standardprotokollen und Profilen kann somit bestehende Sensorik eins-zu-eins ausgetauscht werden.

Basierend auf der neu entwickelten Sensorplattform earconnect ist es jetzt möglich, dass neben der Pulsfrequenz auch die Körpertemperatur in der Sportmedizin und Fitness mobil erfasst werden können. Die Pulsfrequenz wird optisch im Gehörgang erfasst und die Körpertemperatur über die Kontakttemperaturmessung nahe des Trommelfells abgegriffen. Auch lässt sich durch eine aufwendige Algorithmik die Herzratenvariabilität und die arterielle Sauerstoffsättigung ermitteln. Durch die Kombination von unterschiedlicher Sensorik lassen sich gleichzeitig mehrere Vitalparameter erfassen, wodurch der Anwender weniger Aufwand hat.

* Dr. Johannes Kreuzer ist Geschäftsführer des Technologieunternehmens Cosinuss in München.

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