Medizintechnik im Auto: Was die Maschine über ihre Insassen erfährt

Beginnen wir mit einem provozierenden Beispiel: Wie finden Sie es, wenn das Auto darüber wacht, dass sein Fahrer niemanden in Gefahr bringt und die Elektronik erst nach einem Alkoholtest die Zündung freigibt? In den USA, Skandinavien und den Niederlanden sind entsprechende Systeme für Alkoholsünder bereits im Einsatz.

Aufsteigender Widerwillen gegen ein solches Ansinnen ist bei vielen Autofahrern sicher keine Seltenheit. Aber das Beispiel zeigt einen technischen Ansatz, der – wenn auch mit ganz anderen Zielen – interessant erscheint: Ein Auto sammelt nicht nur Informationen über den eigenen technischen Zustand oder seine Umgebung, sondern erfasst auch „medizinische“ Informationen über den Fahrer.

Für die Automobilbranche ist das ein noch recht neues Betätigungsfeld. Mit diversen Assistenzsystemen versuchen die Hersteller zwar schon lange, etwas für Sicherheit und Komfort zu tun, erfassen mit Sensoren im Fahrzeug Ausfälle in der Technik oder Besonderheiten im Fahrstil. Aus diesen Werten lässt sich in gewissen Grenzen sogar ableiten, wie es dem Fahrer geht und wie die Technik ihn unterstützten könnte: Wie wird zum Beispiel gelenkt? Gibt es Abweichungen, ruckartige Bewegungen? Dann erscheint schon heute serienmäßig in manchem Pkw ein Warnhinweis auf dem Display. Oder das Fahrzeug gleicht Ausschläge beim Lenken sofort automatisch aus.

Aber seit geraumer Zeit wird versucht, dem Fahrer selbst noch ein bisschen näher zu kommen – fast so nahe, wie es ein Arzt mit moderner Medizintechnik kann. Den Anfang machten auf die Augen gerichtete Kameras, die die Blickrichtung und die Müdigkeit erfassen. Noch nicht nah genug? Heute könnte ein Auto schon den Puls und den Sauerstoffgehalt im Blut messen, ein EKG erstellen oder gar den Blutzuckergehalt bestimmen. Von Serienanwendungen ist da zwar noch nicht die Rede, sondern von Machbarkeit und Prototypen – aber ein Anfang ist gemacht.

Mögliche Ziele solcher Anstrengungen liegen im Assistenzbereich. Wer Stress erkennt, kann in brenzligen Phasen die Musik leiser stellen oder Handy-Anrufe unterdrücken. Ein weiterführendes Szenario: Wenn der Fahrer am Steuer kurz ohnmächtig wird und die Kontrolle über das Fahrzeug zu verlieren droht, könnte das Bordsystem die Notsituation erkennen und einen Autopiloten veranlassen, den Wagen sicher am Straßenrand zum Stehen bringen. Noch weiter führt die Vision, eine Art Gesundheitscheck durchzuführen und bei Bedarf einen Arztbesuch anzuregen.

Aber zunächst zurück zum Ist-Zustand, zu den Sensoren und den Daten. Eine der ersten Gruppen, die sich in Deutschland damit beschäftigt hat, ob und wie man Vitaldaten mit kommerziell erhältlichen Sensoren im Auto erfassen kann, waren Münchner Wissenschaftler um Prof. Tim Lüth. Mit dem Industriepartner BMW wurden Sensoren samt Auswerteeinheit ins Lenkrad integriert, um den Hautleitwert als Indikator für den Stress zu erfassen sowie die Herzfrequenz und die Sauerstoffsättigung des Blutes. Letztere geben Auskunft darüber, wie es momentan um das Kreislaufsystem eines Menschen bestellt ist.

Sensoren, die für den Einsatz in Medizinprodukten gedacht sind, schienen für dieses Einsatzfeld nur bedingt geeignet. Schließlich wird bei ihrer Entwicklung nicht so viel Wert auf den Komfort des Patienten gelegt: Ein Wust von Kabeln oder angeklebten Sensoren gilt als akzeptabel. Für den Einsatz präventiver Produkte im Fahrzeug wäre das keinesfalls denkbar, es würde den Fahrer beeinträchtigen. „Eigens Sensoren fürs Auto zu entwickeln, ist aber mit enormem Aufwand verbunden“, erläutert Dr.-Ing. Lorenzo D’Angelo, der bis 2010 an der TU München am Projekt mitgearbeitet hat. Von den Kosten gar nicht zu reden. „Wir haben uns daher für einen Mittelweg entschieden, einen kommerziell verfügbaren Sensor in der OEM-Version mit einem Sensor im Prototypenstadium kombiniert und sind damit zu guten Ergebnissen gekommen“, sagt D’Angelo.

Gemessen wurde mit zwei Metallringen, die am gesamten Umfang des Lenkrades mit der Haut des Fahrers in Kontakt waren, sowie einem Sensor auf der Lenkradspeiche neben der Hupe – dort, wo der Daumen anliegt. „Damit wollten wir möglichst viele Gelegenheiten haben, um Daten zu erfassen“, erläutert der Forscher, „da mindestens eine Hand ständig irgendwo am Lenkrad ist.“ Die Ergebnisse waren positiv.

Eine Messung mit mehr oder weniger kommerziell erhältlichen Sensoren ist aber nicht der einzige Weg, um das Befinden des Fahrers zu erkunden. Im Rahmen des Projektes Insitex zum Beispiel – das unter der Federführung von Daimler lief – wurden am FZI Forschungszentrum Informatik in Karlsruhe elektrisch leitfähige Textilien im Fahrzeug eingesetzt, in einem Teilprojekt zum Beispiel in den Fahrersitz. Ihre Aufgabe: ein EKG des Fahrers abzuleiten. Das hat funktioniert. Auf Autobahnfahrten konnten bis zu 95% der Herzschläge erkannt werden, die ein klassisches Medizinprodukt parallel aufzeichnete.

„Der Vorteil des Ansatzes ist, dass sich textile EKG-Elektroden der Körperkontur anpassen können und dass viele Sitzkomponenten bereits textil sind, was eine spätere Sensorintegration vereinfacht“, erklärt Dr. Stephan Heuer. Er hat das Insitex-Teilprojekt bis zum Ende im Jahr 2010 geleitet. Inzwischen ist Heuer Bereichsleiter Embedded Systems and Sensors Engineering am Forschungszentrum Informatik (FZI) in Karlsruhe, leitet die Abteilung Medizinische Informationstechnik und forscht weiter zu diesem Thema.

Das kapazitive EKG im Autositz hat das gleiche Ziel wie die Sensoren im Lenkrad. „Es geht darum, beim Fahrer Müdigkeit und Stress zu erkennen“, erklärt Heuer. Die ins Textil integrierten Sensoren nennt er eine „tolle Messmethode“. Man spüre nichts von ihnen, muss sich für die Messung nicht ausziehen, keine Elektroden auf den Körper bringen – man setzt sich, und es geht los. Das funktioniert laut Heuer durch mehrere Lagen T-Shirt-Stoff plus Pulli problemlos. Stoffe, die sich stark elektrisch aufladen, könnten allerdings zu Problemen führen. Und der Fahrer muss sich anlehnen. Trotz dieser Einschränkungen lässt sich mit den textilen Sensoren erfolgreich messen. Mit GPS-Daten, Werten zur Beschleunigung und den Lenkbewegungen, die ein modernes Auto sonst noch liefert, lässt sich sogar die Qualität der Messung bewerten.

Für die Karlsruher ist das Thema damit aber noch nicht abgeschlossen. „Wir wollen die gemessenen Werte so weit interpretieren, dass wir aus den EKG-Daten sicher Rückschlüsse auf den kognitiven oder emotionalen Zustand des Fahrers ziehen können“, sagt Heuer. Die Herzratenvariabilität sei dafür ein guter Indikator, da sie sich in ruhigen oder stressigen Situationen ändert. Da „der Fahrer“ aber ein Mann oder eine Frau, jung oder alt und auch sonst individuell sehr verschieden sein kann, haben die mit der Fahrermodellierung beschäftigten Wissenschaftler noch eine Menge zu tun.

Die Karlsruher denken dennoch schon weiter. Kamera-basierte Systeme haben laut Heuer einen besonderen Charme, vielleicht sogar in Kombination mit anderen Sensoren. Sie bieten mehr Klarheit über die Körperposition des Fahrers und öffnen neue Möglichkeiten der kontaktlosen Messung. „Denken Sie nur an die Ipad-App von Philips, mit der sich ein Gesicht filmen lässt, die Durchblutung sichtbar gemacht wird und daraus sogar die Herzrate bestimmt werden kann.“ Für solche neuen Varianten kann sich Heuer begeistern: „Die Pulsdaten könnten wir in unsere Fahrermodellierung integrieren und so die Bewertung der gesamten Informationen verbessern.“

Aber das, so räumt er gleich darauf ein, sei zunächst nicht mehr als eine Idee. Bisher gebe es kein einziges marktfähiges System, das den Gesundheitszustand eines Autofahrers wirklich spiegelt.

Dass aber selbst klassische und als solche zugelassene Medizinprodukte für den Einsatz im Auto interessant sein können, zeigt ein Beispiel bei Ford. Dort läuft ein Projekt dazu, wie sich biomedizinische Verfahren im Fahrzeug anwenden lassen. „Man muss dem Fahrer ermöglichen, seine eigenen Medizinprodukte mitzubringen und deren Funktion – unterstützt von der Bordelektronik – zu nutzen“, erläutert Dr. Rainer Vogt, bei der Ford Forschungszentrum Aachen GmbH zuständig für den Bereich Environment & Health. Vor diesem Hintergrund wurde in Kooperation mit dem Medizinproduktehersteller Medtronic in den USA ein Prototyp entwickelt, der die Ergebnisse einer Blutzuckermessung mit integriertem Sensor im Bord-Display anzeigt und vorliest. Das Vorlesen ermöglicht die Sync-Plattform, ein sprachgesteuertes System, das zunächst nur für Infos und Entertainment im Fahrzeug eingesetzt wurde. Das Konzept wurde auf die Nutzung eines Medizinproduktes ausgedehnt, und die Anwendung ist nicht auf den Fahrer beschränkt. Auch ein zuckerkrankes Kind auf dem Rücksitz kann einbezogen werden.

Ebenso interessant seien Entwicklungen im IT-Bereich. „Da denken wir an Gesundheitscoaching-Plattformen im Internet, die Tipps zur Prävention oder zur Genesung bieten. Wenn Web und Cloud im Automobil Einzug halten und darüber auch Gesundheitsfragen berührt werden, ist das ein Thema, mit dem wir uns als Automobilbauer befassen“, sagt Vogt. Daher wurde die US-amerikanische Plattform Welldoc.com in „Sync“ integriert. Der Fahrer meldet sich mit Namen an und hat alle Applikationen zur Verfügung, die er auch auf seinem Smartphone nutzt.

Messungen von Vitaldaten mit Systemen, die ins Fahrzeug integriert werden, sind aber auch bei Ford nicht außen vor.

„Wir schauen uns die klassischen Medizintechnologien daraufhin an, was machbar und nützlich für unsere Kunden ist“, so Vogt. Neben Blutdruck, EKG, Blutzucker und Hautwiderstand nennt er auch ein EEG. „Dafür vergleichen wir verschiedene Methoden. Aber das kontaktlos und störungsfrei umzusetzen, ist natürlich schwierig.“ Eigene Sensorik dafür zu entwickeln, führt seiner Meinung nach für einen Autohersteller zu weit. Die Medizinprodukte bis ins Detail zu verstehen, sei dennoch wichtig, schließlich stecke darin der Schlüssel, um die Anforderungen für den Einsatz im Fahrzeug zu definieren.

In einem Projekt zur EKG-Messung arbeitet Ford mit der Gruppe von Prof. Steffen Leonhardt an der RWTH Aachen zusammen, um EKG-Messungen über Sensoren im Sitz zu ermöglichen. Am Aachener Lehrstuhl für Medizinische Informationstechnik (MedIT) am Helmholtz-Institut für Biomedizinische Technik wurde ein Prüfstand mit einem solchen Sitz aufgebaut, und das System liefert in mehr als 90 % der Fahrzeit auswertbare Daten. „Wobei es uns nicht um die Erstellung von Diagnosen wie zum Beispiel von Arrythmien geht“, wie Vogt betont. Das bleibe Aufgabe eines Arztes. „Wir wollen solche Informationen nutzen, um den Fahrer stärker zu unterstützen, wenn das gebraucht wird.“

Für Prof. Leonhardt ist die Zusammenarbeit mit dem Fahrzeughersteller ein interessanter Exkurs. Leonhardt, selbst Ingenieur und Mediziner, sagt: „Wir kommen von einer ganz anderen Seite: In zwanzig Jahren geht die Babyboomer-Generation in Rente, wird multimorbid. Um von diesen Menschen Vitaldaten zu bekommen, werden wir viele Gegenstände des Alltags instrumentieren müssen, sei das der Toilettensitz, ein Bett, ein Stuhl, eine OP-Liege oder eben ein Autositz.“ Daher geht es in seinen Arbeiten vor allem um kontaktfreie Messtechnik, den Einsatz von Sensoren oder Kameras und die Auswertung der Daten vor Ort.

Die Ergebnisse im Ford-Projekt bezeichnet er als „sehr ermutigend, aber noch nicht serienreif“. Und fährt fort: „Solange wir nicht genau sagen können, warum unser System Probleme hat, wenn jemand eine Polyesterhose trägt, wäre jede zeitliche Prognose zur Serienreife verfrüht.“

Nach konkreten Perspektiven von gesundheitsbezogenen Anwendungen im Automobil gefragt, bleiben alle Experten denn auch zurückhaltend. Dr. Rainer Vogt von Ford ist sicher, dass aufgrund des demographischen Wandels in den nächsten fünf bis zehn Jahren das Thema viel mehr Aufmerksamkeit bekommt. „Die Vernetzung mobiler Systeme mit dem Fahrzeug muss man in Zukunft in Serie anbieten.“ Und die Medizintechnik im Fahrzeug? „Da dahinter ein längerer industrieller Prozess steht, muss man sicher eher im Zehnjahreshorizont denken“, sagt Vogt. Dr. Stephan Heuer geht davon aus, dass Stresserkennung als Assistenzfunktion gute Aussichten hat, „ein Business Case im Premium-Segment zu werden“.

Zwei Metallringe zur Erfassung des Hautleitwertes ins Lenkrad integriert, ein Sensor unter den Daumen – damit kann man Informationen über den Gesundheitszustand des Fahrers sammeln. Diesen Ansatz wählten Münchner Forscher zusammen mit dem Industriepartner BMW. Der Sensor am Daumen strahlt Infrarot- und Rotlicht in die Haut und erfasst die Reflektion. Daraus lassen sich sowohl die Herzfrequenz als auch der Sauerstoffgehalt im Blut ableiten. Die Auswerteeinheit ist ebenfalls ins Lenkrad integriert. Ihre Daten schickt sie per Funk an den Bordcomputer. „Über die kurze Distanz ist das problemlos umzusetzen“, erinnert sich Mitarbeiter Dr. Lorenzo D’Angelo. Das System liefert zuverlässig und stabil die Daten, wann immer die Finger das Lenkrad umschließen. Aufgrund dieser Überlegung machte übrigens auch das Lenkrad das Rennen: Die Alternative, der Schaltknauf, bekommt erheblich weniger Hautkontakt.