"Entwicklung eines Mikroprozessors und Fotosensors zur Vitalparametermessung in medizinischen Wearables" im Rahmen des Eurostars Projekts: AMBULAS "Medizinisches Gerät zur berührungsfreien und ambulanten Vitalparametermessung von Patienten mit Herzinsuffizienz"

Abstract

Das Projekt AMBULAS hatte zum Ziel, ein ambulantes bzw. portables, miniaturisiertes Messsystem zur nicht-invasiven Bestimmung von verschiedenen Vitalparametern auf Basis der Laser-Speckle-Plethysmografie zu entwickeln. Im Zentrum der technischen Entwicklung stand ein anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (ASIC), der ein hochspezifisches Photodiodenarray zur Aufnahme der Laser-Speckle-Mustern enthält. Aus den aufgenommenen Speckle-Bildern sollen mittels digitaler Signalverarbeitung Vitalparameter wie Sauerstoffsättigung (SpO₂), Herzrate und weitere biometrische Kenngrößen extrahiert werden. Der im Projekt entwickelte Imager-ASIC wurde in einem kollaborativen Prozess spezifiziert, entwickelt, simuliert und gefertigt. Praxa Sense übernahm dabei die optische Spezifikation, advICo Microelectronics entwickelte das analoge Frontend (inklusive Photodiodenarray, ADC und Lasertreiber), während das Fraunhofer IMS das digitale Backend des Imager-ASICS (bestehend aus Interface-Logik, Konfigurationsregistern und Ablaufsteuerung) realisierte. Der fertiggestellte Chip hat eine Fläche von ca. 4mm² und wurde in der 180-nm-CMOS-Technologie "XH018" des Halbleiterherstellers X-Fab gefertigt. Parallel zur ASIC-Entwicklung wurde vom Fraunhofer IMS ein leistungsoptimiertes digitales Verarbeitungssystem auf Basis eines RISC-V-Prozessorkerns entwickelt und auf einem FPGA (Field Programmable Gate Array) implementiert. Der Prozessorkern wurde mit anwendungsspezifischen Hardwarebeschleunigern für verschiedene, elementare Bildverarbeitungsoperationen (wie etwa Backgroundsubstraction, Histogrammberechnung, Filterung, etc.) erweitert, um eine hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit zur Erfüllung der Echtzeitkriterien bei gleichzeitig geringem Energiebedarf zu erzielen. Die Funktionalität des Digitalteils des Imager-ASICs wurde durch umfangreiche Tests am Fraunhofer IMS verifiziert. Abschließend wurde ein portabler Demonstrator (bestehend aus dem FPGA und dem Imager-ASIC) aufgebaut, der das Konzept des Gesamtsystems unter praxisnahen Bedingungen demonstriert und auf Messen und Konferenzen präsentiert. Tatsächliche Messungen an Patienten wurden mit dem erstellten Demonstrator im Rahmen der Projektlaufzeit allerdings nicht durchgeführt.