Der Markt für vernetzte Gesundheitssysteme wächst rasant und soll laut dem US-Wirtschaftsmagazin Bloomberg bis 2028 ein Volumen von 296 Milliarden US-Dollar erreichen, was fast sechsmal so viel ist wie 2021. Auf der anderen Seite werden die Algorithmen, die daran arbeiten, unsere Parameter zu synthetisieren, immer stärker und die Zuverlässigkeit der Daten immer besser. Hinter den Kulissen arbeiten die PPG-Sensoren - die sich unter anderem unter den vernetzten Uhren befinden und an ihren farbigen LEDs zu erkennen sind - daran, Vitalparameter wie Herzfrequenz, Sauerstoffzufuhr, Atmung und Druck zu messen. Mehrere Jahre Forschung an der EPFL haben es ermöglicht, Module zu entwickeln, die genauso leistungsfähig sind wie die der vernetzten Uhren, und das auf einer viermal kleineren Fläche - ein Weltrekord. Diese Miniaturisierung, die durch mehrere Patente geschützt ist, ermöglicht auch eine drastische Verkleinerung der Batterie bei gleicher Nutzungsdauer. Senbiosys, ein von zwei ehemaligen Doktoranden gegründetes Start-up-Unternehmen der EPFL, reitet auf der Welle der vernetzten Gesundheit, indem es seine Sensoren in einen Ring einbaut, der so dünn wie ein Schmuckstück ist. Die Crowdfunding-Aktion, die gestartet wurde, um vom Prototypen zur Produktion zu gelangen, hat wenige Tage vor Ablauf der Frist bereits fünf mehr als die benötigten 100.000 Franken eingebracht.
Die kleinsten PPG-Chips der Welt
Die eingebetteten PPG-Systeme im Bereich der vernetzten Gesundheit bestehen aus einer rhythmischen Lichtquelle (LED), die mit einem Fotodetektor und einer elektronischen Auslesekette synchronisiert ist. Der Fotodetektor fängt das reflektierte Licht ein, das die Extraktion der Vitalparameter mithilfe von Algorithmen ermöglicht. Die 4 mm3 der winzigen PPG-Chips, die von dem Spin-off entwickelt wurden, machen sie zu den kleinsten der Welt: Sie sind viermal kleiner als ihre marktüblichen Gegenstücke. Der Knackpunkt bei der Miniaturisierung dieser Systeme ist vor allem der Energieverbrauch der LED. Um dieses Problem zu umgehen, ermöglicht der verwendete Sensor, der das Ergebnis jahrelanger Forschung am Laboratoire de circuits intégrés à signaux mixtes in Neuchâtel (Fakultät STI) ist, ein ebenso scharfes Signal wie seine Gegenstücke auf der Basis einer viel weniger intensiven Lichtquelle zu registrieren. Diese Innovation ist nicht unbemerkt geblieben, denn sie hat "zu rund 60 wissenschaftlichen Veröffentlichungen im Bereich Mikroelektronik und optische Sensoren geführt, war Gegenstand von elf Patenten, von denen ein Teil an der EPFL angesiedelt ist.Der Mitbegründer Antonino Caizzone hat für seine Dissertation zu diesem Thema den Gilbert-Hausmann-Preis 2021 erhalten.
Auf der Grundlage der Innovationen, die aus dem MCIS-Lab hervorgegangen sind, ist es uns gelungen, Sensoren in Profiqualität zu miniaturisieren, die normalerweise sperrig sind, wie Druckmonitore oder Pulsoximeter.
Sechs Sensoren um den Finger
Das kleine PPG-Modul, das von dem 2018 gegründeten Start-up-Unternehmen bereits in mehrere elektronische Geräte eingesetzt wurde, darunter auch in Hörgeräte, die von anderen Unternehmen hergestellt werden, passt in einen 5 mm breiten und 2,5 mm dicken Ring mit dem Namen Iris. "Wir hatten das Gefühl, dass es Potenzial hatte, daraus ein Produkt zu machen, das direkt an den Kunden gerichtet ist", erinnert sich der Unternehmer. Mehrere Artikel, darunter ein 2019 in Frontiers in Physiology erschienener, zeigen, dass die Messung physiologischer Parameter am Handgelenk nicht ideal für eine zuverlässige Aufzeichnung ist, da sie von der Physiognomie des Nutzers abhängt. Die Ergebnisse sind am Finger oder am Ohr besser. Auch die Tatsache, dass es nicht immer bequem ist, eine Uhr zu tragen, insbesondere beim Schlafen, hat uns davon überzeugt, die Idee zu entwickeln". Die Idee, einen Ring als Gesundheitsbarometer zu verwenden, ist nicht neu, aber die Größe der Module des Start-ups und der geringe Energiebedarf ermöglichen es, mehr Elektronik in einen Ring zu packen, der wie ein Schmuckstück aussieht und in etwa 30 Minuten wieder aufgeladen werden kann. Achtzehn Lichtquellen, deren Daten von sechs Sensoren gesammelt werden, sind um den Finger herum angebracht, was die Genauigkeit der Daten erhöht. "Auf der Grundlage der Innovationen aus dem Labor ist es uns gelungen, Sensoren in Profiqualität zu miniaturisieren, die normalerweise sperrig sind, wie Druckmonitore oder Pulsoximeter", sagt Mitbegründer Assim Boukhayma. Die sechs Sensoren ermöglichen eine Mittelwertbildung der Parameter, was weder bei Uhren noch bei anderen Geräten, die in größeren Ringen untergebracht sind, der Fall ist. "Letztendlich ermöglicht uns die geringe Größe des Systems, weniger Material zu verwenden und dies in Form eines niedrigeren Preises weiterzugeben", betont er.
Die kontinuierliche Messung von Vitalparametern außerhalb von Krankenhäusern ist aufgrund der alternden Bevölkerung, der Zunahme von Fettleibigkeit und Herz-Kreislauf-Erkrankungen besonders verbreitet. Eine klinische Studie mit dem Krankenhaus Freiburg über die mit dem Miniatursensor gewonnenen Herzfrequenzdaten im Vergleich zu einem Katheter, der direkt am Herzen platziert wird, zeigte vergleichbare Ergebnisse. Assim Boukhayma betont: "Unser Ziel ist es jedoch nicht, ein medizinisches Gerät anzubieten, sondern eine personalisierte Überwachung mit verschiedenen Parametern. Wir sehen darin eher eine präventive Rolle, da Veränderungen in den Daten den Nutzer alarmieren und ihn dazu bringen können, einen Arzt aufzusuchen." In seiner ersten Version wird der Ring unter anderem Angaben zur Herzfrequenz, zur Schrittzahl, zur Sauerstoffversorgung des Blutes, zur Schlafqualität, zu Stress und zum Kalorienverbrauch enthalten. "Wir entwickeln die Algorithmen und die Smartphone-App weiter. Anschließend werden Online-Updates angeboten".
Öffentliches Interesse an Crowdfunding
Nachdem sie seit der Gründung des Start-ups im Jahr 2019 insgesamt 5 Millionen Dollar aufgebracht hatten, um ihren Sensor für industrielle Anwendungen zu entwickeln, begannen die Mitbegründer 2022 mit einer Marktstudie für ein Produkt für Kunden, die zur Entwicklung des Prototyps dieses Rings führte. Die im Februar gestartete Crowdfunding-Aktion überzeugte die Öffentlichkeit von ihrem Vertrauen und sicherte ihnen eine Finanzierung von mindestens 500.000 Franken, was das Viereinhalbfache des ursprünglichen Ziels ist. Nun können sie sich auf die Vorbereitung der Produktion konzentrieren, um die Vorbestellungen der Teilnehmer bis Ende 2023 zu erfüllen. "Wir werden die benötigten Materialmengen bestimmen, einschließlich der gedruckten elektronischen Schaltungen, Batterien und mechanischen Komponenten. Dann werden wir den Montageprozess verfeinern und sicherstellen, dass alle Komponenten gut integriert sind", schloss Antonino Caizzone.
Details auf Kickstarter
Referenzen
Bloomberg-Artikel über den Markt für intelligente Gesundheitsgeräte
Gilbert-Hausmann-Preis 2021
EPFL-Dissertation von Assim Boukhayma
Artikel in Frontiers über den Ort der Messungen
Studie mit dem Krankenhaus in Freiburg über die Zuverlässigkeit des Sensors
