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Integrated Sensing Architectures and Tools for Health Care

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Ein intelligentes tragbares Gerät, das Schweiß auf Gesundheitsindikatoren analysieren kann

Die ebenso risiko- wie ertragreiche Forschung von CyberCare zu integrierten Sensor- und Computerarchitekturen und entsprechenden Werkzeugen für ihren Betrieb hat zur Entwicklung eines tragbaren Prototyps für die intelligente Gesundheitsversorgung geführt.

Gesundheit

Intelligente Technologien werden inzwischen zunehmend für die personalisierte Medizin eingesetzt. Sie machen sich revolutionäre Sensortechnologien zur Datenerfassung, Computerarchitekturen zur Datenverarbeitung und zur Unterstützung der Entscheidungsfindung zunutze und basieren oft auf Algorithmen der künstlichen Intelligenz. Damit solche Vorrichtungen richtig funktionieren können, muss jede intelligente Komponente über eine Schnittstelle verbunden sein. Diese Schnittstelle dient als Brücke zwischen den Biosystemen, welche die physischen Parameter überwachen, und den Informationsverarbeitungssystemen, die diese Informationen speichern und darauf reagieren. Das Projekt CyberCare hat mit Unterstützung des Europäischen Forschungsrates ein solches System entwickelt und getestet, das letztlich weit über die bloße Überwachung von Erkrankungen hinausgehen und schließlich auch geeignete therapeutische Optionen anbieten soll. „Die größte Herausforderung bestand darin, ein System zu entwickeln, das nicht nur sicher und präzise ist, sondern auch so unaufdringlich und einfach anzuwenden ist, dass es von den Benutzenden gut angenommen wird“, merkt Projektkoordinator Giovanni De Micheli an. Es gelang dem Projekt, einen Prototyp für ein tragbares Gerät zu entwickeln, das mehrere Ionen auf einmal in kleinen Schweißproben messen kann.

Eine mikrofabrizierte, integrierte und tragbare Lösung

Ionen sind Atome oder Atomgruppen mit einer positiven oder negativen elektrischen Ladung. Durch die Quantifizierung ihrer Konzentration in Körperflüssigkeiten lassen sich chemische Verbindungen feststellen, die wichtige Hinweise auf die Gesundheit geben können. So wird bei Menschen mit bipolaren Störungen beispielsweise regelmäßig die Lithiumkonzentration kontrolliert, da das Element bei der Stimmungsstabilisierung eine wichtige Rolle spielt. Im Bereich der Sportmedizin wird oft das Natrium-Kalium-Verhältnis nach körperlicher Anstrengung gemessen, da diese beiden Elektrolyte den Zellen dabei helfen, miteinander zu kommunizieren, und daher für unsere Körperfunktionen von wesentlicher Bedeutung sind. Herzstück der tragbaren Lösung ist eine modulare Anordnung von Sensorzellen mit ionenselektiven Membranen, die für spezifische, untersuchungsrelevante Ionen durchlässig sind. Jede Sensorzelle nimmt die elektrische Ladung aus den Ionen auf. Anhand der gemessenen Ladungen lassen sich dann die relevanten Ionen charakterisieren. Durch Zellanordnungen mit unterschiedlichen ionenspezifischen Membranen ist es möglich, verschiedene Stoffe auf einmal zu erkennen. Die Sensoren werden in eine flexible Folie integriert und die Elektronik für die Datenerfassung dabei auf einem flexiblen Substrat angebracht. Das erleichtert die Anbringung am Körper. Die Benutzenden können die Ergebnisse dann über eine drahtlose Verbindung auf einem Mobilgerät wie einem Smartphone oder Laptop darstellen, sodass die Betroffenen bzw. die medizinischen Fachkräfte bessere Entscheidungen über die optimale Behandlung treffen können. „Das modulare System ermöglicht einen vielseitigen Einsatz bei geringeren Entwicklungskosten“, so De Micheli. Ein dediziertes System zur Überwachung von sportlicher Aktivität und Ermüdung wurde bereits von Freiwilligen getestet. Dazu fuhren sie Fahrrad und trugen dabei ein Stirnband mit integrierter CyberCare-Plattform. Das System analysierte ihren Schweiß dann in Echtzeit auf den Natrium- und Kaliumgehalt. „Unsere Ergebnisse zeigten im Vergleich mit der Standardmethode zur Schweißgewinnung und Offline-Analyse mit umständlichen Laborgeräten eine fast perfekte Übereinstimmung“, erklärt De Micheli.

Befähigung der Bürgerinnen und Bürger

Die Vorrichtung von CyberCare erleichtert mit ihren Anwendungen die Überwachung und Unterstützung der Gesundheit und trägt somit zum Ziel der EU für die digitale Gesundheitsversorgung bei, die Befähigung der Bürgerinnen und Bürger und die patientenorientierte Pflege durch digitale Hilfsmittel zu stärken. Sie könnte zudem im Bereich des Freizeit- und Profisports genutzt werden, um das individuelle Training zu optimieren. Die Technologie befindet sich derzeit noch in der Prototyp-Phase. Unterdessen sucht das Team bereits nach einem geeigneten Branchenanbieter, um ein marktfähiges Produkt für Medizin- oder Sportanwendungen zu entwickeln. „Angesichts der zahlreichen biologischen Verbindungen, die als aussagekräftige Gesundheitsindikatoren dienen können, lässt sich die Technologie in viele Anwendungen integrieren. So ist sie nicht nur zur Überwachung der organischen Gesundheit geeignet, sondern könnte beispielsweise auch eingesetzt werden, um die Belastung durch Schadstoffe wie Blei zu messen“, so De Micheli abschließend.

Schlüsselbegriffe

CyberCare, tragbare Geräte, Ion, Schweiß, Gesundheit, Kalium, Natrium, Sport, Sensor

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