Vitalparameter-Sensorik: Optisches Messsystem erfasst Blutpulsation im Ohr

Sensor an der Ohrmuschel

Otoplastik mit eingebautem Messkopf, eingefügt die mikrooptische Baugruppe Bild: CiS
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Für die Messung von Blutsauerstoffsättigung, Puls und Herzratenvariabilität sind vielfältige optische Messsysteme im Einsatz. Miniaturisierte Sensorlösungen am äußeren Gehörgang ermöglichen Langzeitmessungen unter Alltagsbedingungen.

Photoplethysmographie ist eine Methode, um Daten über die Blutfüllung im Gewebe optisch zu erfassen. Die Pulsoximetrie nutzt die pulsbedingte Füllung und Leerung kleinerer Arterien, die anhand der Änderung optischer Signale erfasst wird. Standard-Puls-oximeter werden am Finger getragen und durchstrahlen das Gewebe mit Licht zweier verschiedener Wellenlängen. Die ankommende Lichtmenge variiert im Pulsrhythmus, woraus die Pulsrate bestimmt wird. Spezielle Verhältnisse der Signale beider Wellenlängen enthalten Information über die Farbe des Blutes, was für die Bestimmung der Sauerstoffsättigung genutzt wird.

Außer Pulsrate und Sauerstoffsättigung können aus Photoplethysmogrammen weitere Informationen zum Herz-Kreislauf-System des Probanden abgeleitet werden. Dazu wird die Form der Pulswelle analysiert. Zumeist wird die gemessene Pulskurve in vier Einzelkomponenten zerlegt, um die gewünschten Daten zu gewinnen.
Das CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik und Photovoltaik GmbH entwickelt bi- direktionale mikrooptische Sensorbaugruppen, unter anderem für photoplethysmographische (PPG-)Anwendungen. Diese basieren auf der Mores-Technologie für die Integration optischer Strahler und Empfänger auf Chip-Ebene. Die Mikrosystemtechnik hat dabei zu vergleichsweise kleinen und massearmen Lösungen geführt. Der PPG-Messkopf selbst misst nur 3,2 mm x 4,2 mm x 0,7 mm und wiegt weniger als 25 mg.
Die Messung erfolgt im Auflichtmodus, das heißt, Strahler und Empfänger sind nebeneinander auf einem geeigneten Hautabschnitt platziert. Damit entfällt die Einschränkung auf durchstrahlbare Messorte wie Finger, Zehe oder Ohrläppchen.
Die kleine Baugröße erschließt schwer zugängliche Messorte wie beispielsweise den Ohrkanal. In der PPG-Messpraxis treten bei Bewegungen des Probanden oftmals Signalverfälschungen auf, die erheblich störenden „Bewegungsartefakte“. Die kleine Masse des CiS-Sensors reduziert eine Quelle solcher Artefakte – die trägheitsbedingte Relativbewegung des PPG-Messkopfes zur Haut.
Zusammen mit Partnern aus Hochschulforschung, Hörgerätebranche und der Medizintechnik haben sich die Erfurter auf den inneren Tragusbereich als Messort konzentriert.
Als Träger des PPG-Messkopfes dienen aus der Hörgerätetechnik bekannte Otoplastiken, die sich als langzeitlich alltagstauglich bewährt haben. Besonders gut „sitzen“ individuell angepasste Otoplastiken, bei denen der Messkopf im Tragusbereich eingesetzt und ausgeformt transparent vergossen ist. Ein weiterer Vorteil ist, dass bei dieser Platzierung des Messkopfes auch bei Unterkühlung oder Schock noch Signale aufnehmbar sind, wenn Fingerclips schon keinen Puls mehr nachweisen können. Vom PPG-Messkopf in der Otoplastik führt ein hochflexibles Kabel zu einer neu entwickelten, am Gürtel tragbaren Datenerfassungseinheit. Im Batteriebetrieb können unter Alltagsbedingungen bis zu 12 h Daten auf eine Micro-SD-Karte aufgezeichnet und dann off-line ausgewertet werden.
Die Funktionalität der neuen Datenerfassungseinheit geht weit über die Pulsoximetrie hinaus. Bis zu vier LED verschiedener Wellenlänge können angesteuert werden. Die zugehörigen Photoplethysmogramme plus ein 3-Elektroden-EKG werden simultan mit bis zu 200 Abtastungen pro Sekunde aufgezeichnet. Damit lassen sich verschiedene weiterentwickelte Sensoren und Messverfahren evaluieren, die auf multispektraler Datenaufnahme beruhen. su

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