Schlussbericht zum Vorhaben "Entwicklung eines mikroprozessorgestützten optischen Sensor-IC mit integrierten Lasertreibern für medizinische Wearables" im Rahmen des Eurostars Projekts E! 1863 AMBULAS - Medizinisches Gerät zur berührungsfreien und ambulanten Vitalparametermessung von Patienten mit Herzinsuffizienz

Abstract

Ziel des deutschen Teilvorhabens AMBULAS_DE war die Entwicklung wesentlicher mikroelektronischer Grundlagen für einen neuartigen Laser-Speckle-Sensor zur berührungsfreien Messung von Vitalparametern in einem medizinischen Wearable. Im Eurostars-Gesamtprojekt AMBULAS sollte auf dieser Grundlage das VitaLas-System entstehen, ein tragbares Gerät für die ambulante Langzeitüberwachung von Patientinnen und Patienten, insbesondere im Umfeld chronischer Herzinsuffizienz.

Der technische Kern des Teilvorhabens war die Miniaturisierung eines bisher diskret aufgebauten Laser-Speckle-Messprinzips. Laser-Speckle- bzw. Speckle-Plethysmographie nutzt kohärentes Licht und eine Bildsensorik, um Bewegungen und Veränderungen im durchbluteten Gewebe zu erfassen. Für die Anwendung in einem Wearable mussten Bildaufnahme, Laseransteuerung, präzises Timing und Datenschnittstellen in eine kompakte, stromsparende und reproduzierbare Sensorlösung überführt werden. Daraus ergab sich für advICo die Aufgabe, einen spezialisierten Bildsensor-ASIC mit analogem Sensorfrontend, Laser-Treiber, Timing-Funktionen, A/D-Wandlung und geeigneter Test- und Charakterisierungshardware zu entwickeln.

An den Stand der Technik wurde in zweifacher Hinsicht angeknüpft. Einerseits existieren bewährte optische Verfahren wie Photoplethysmographie (PPG), die in Wearables weit verbreitet sind, aber bei Bewegung, variierenden Hauttypen und anspruchsvollen Messbedingungen an Grenzen stoßen. Andererseits waren Laser-Speckle-Aufbauten für physiologische Messungen prinzipiell bekannt, jedoch typischerweise nicht in der für ein tragbares medizinisches System erforderlichen Integrationsform, Leistungsaufnahme und Robustheit verfügbar. Das Projekt sollte diese Lücke durch einen spezialisierten ASIC und eine darauf abgestimmte Systemarchitektur schließen.