Schnelle technologische Entwicklungen haben unsere Lebens- und Arbeitsweise verändert, unseren Umgang mit Unterhaltungsmedien und Nachrichten, unsere Art zu kommunizieren und zu spielen. In jedem Haushalt gibt es heutzutage mehr Computer, als es vor 50 Jahren in Großunternehmen gab und in unseren Taschen tragen wir – als Smartphone – mehr Rechen- und Kommunikationsleistung mit uns herum, als man vor zehn Jahren überhaupt besitzen konnte.
Trotz der Veränderung hat sich über die letzten Jahrzehnte eines nicht geändert – das Bedürfnis der Menschen nach Wohlbefinden für sich selbst und ihre Familien. Deshalb überrascht es nicht, dass das am schnellsten wachsende Segment bei Smartphone-Apps der Bereich Gesundheit und Wellness ist. Diese Apps beruhen auf den Funktionen neuer Sensorsysteme, um Informationen zu unseren Aktivitäten zu sammeln – sie zählen Schritte, messen den Kalorienverbrauch oder überwachen Herzrhythmusstörungen.
Die Anfänge
Im Jahre 2012 stellte Plessey Semiconductors einen der ersten Prototypen eines tragbaren Personal-Health-Geräts vor: einen Herzfrequenzsensor in Form einer Armbanduhr (Abbildung 1). Das Referenzdesign nahm mithilfe einer Sensorelektrode im ständigen Kontakt mit dem Handgelenk an der Rückseite des Geräts elektrokardiographische Signale (EKG) auf. Die Berührung einer zweiten Elektrode an der Gerätevorderseite mit dem Finger der anderen Hand ermöglichte die Aufnahme des Herzschlags.
Abbildung 1: Vorführmodell des EPIC-Sensors von Plessey Semiconductors. (Quelle: Electronic Products)
Das Vorführmodell basierte auf der EPIC-Sensortechnologie (Electric Potential Integrated Circuit) der PS25x01-Serie von Plessey, die in Zusammenarbeit mit der University of Sussex in Großbritannien entwickelt wurde. Die Sensoren waren die ersten, die Veränderungen in einem elektrischen Feld lesen konnten – so wie ein Magnetometer Veränderungen in einem Magnetfeld misst –, ohne dass physischer Kontakt oder Widerstand erforderlich ist. Die Technologie funktioniert bei normaler Raumtemperatur und fungiert als Impendanzsensor mit ultra hohem Eingang durch Verwendung von aktiven Feedback-Techniken zur Senkung der effektiven Eingangskapazität des Sensorelements und gleichzeitiger Erhöhung des Eingangswiderstands. Es handelt sich im Endeffekt um einen nahezu perfekten Spannungsmesser, hoch stabil und in der Lage winzige Veränderungen bis hin zu Millivolt in einem elektrischen Feld zu messen.
Ein weiteres gesundheitsbasiertes Sensorsystem mit elektrischem Potenzial auf viel höherem Niveau wurde 2012 von ams vorgestellt. Der programmierbare, voll integrierbare Blitzsensor ams AS3935 Franklin IC erkennt bevorstehende, potenziell gefährliche Gewitter und misst den Abstand zum Unwetter, sodass Nutzern genügend Zeit bleibt, um sich einen Unterschlupf zu suchen (Abbildung 2).
Abbildung 2: Der Blitzsensor AS3935 Franklin von ams. (Quelle: Electronic Products)
Bei dem Sensor handelt es sich um einen Funkempfänger mit integriertem Blitz-Algorithmus, der das eingehende Signalmuster auf sich nähernde Blitze kontrolliert und gleichzeitig menschengemachte Störungen herausfiltert. Ähnlich dem Plessey-Gerät plante ams die Technik als armbanduhrartiges Gerät auf den Markt zu bringen, beispielsweise zur Verwendung von Golfern auf dem Fairway.
Bei der Sensors Expo 2014 präsentierte ROHM/Kionix das Gerät als tragbaren Schlüsselanhänger. Das Vorführgerät überträgt Daten via Bluetooth Low Energy Spezifikation von multiplen Sensoren in dem Gerät an Smartphones und Tablets. Das Design integriert einen ultra hochsensiblen magnetischen Impedanzsensor (MI), einen Beschleunigungsmesser, ein Gyroskop, einen barometrischen Drucksensor, einen Näherungssensor/ALS (Ambient Light Sensor) und RGB-/UV-Sensoren in einem kompakten und leichten Gehäuse mit der Form eines Autoschlüssels (Abbildung 3).
Die Sensorerweiterung ermöglicht eine Reihe von Funktionen und Aktionen. Beispielsweise kann das Gerät als Aktivitätsanzeige fungieren und schätzt nicht nur den Kalorienverbrauch oder zählt Schritte sondern merkt sogar, wann der Nutzer Fahrzeuge benutzt (z. B. Bus, Bahn, Auto) oder Treppen läuft und speichert Reisezeiten. Wird der Schlüssel außen getragen, kann der Nutzer kontrollieren, wie viel UV-Strahlung er/sie ausgesetzt ist und Alarmgrenzen festlegen, um Sonnenbrand oder Melanomen vorzubeugen.
Das Gesundheitshandgelenk von heute
Heutzutage finden sich mehrere Smartwatches auf dem Markt. Zum Beispiel die brandneue Fitbit Surge oder die Garmin Vivoactive.
Die Fitbit Surge enthält ein GPS, einen 3-Achsen-Beschleunigungsmesser, ein 3-Achsen-Gyroskop, einen digitalen Kompass, einen optischen Herzfrequenzsensor, einen Höhenmesser, einen ALS und einen Vibrationsmotor. Die GPS-Überwachung ermöglicht es dem Nutzer, Distanzen, Geschwindigkeiten und Höhen sowie Routen und Zwischenzeiten zu überprüfen, während der optische Herzfrequenzsensor PurePulse ständige, automatische, handgelenkbasierte und vereinfachte zonenbasierte Herzschläge misst. Die Nutzer können Schritte, Entfernungen, Kalorienverbrauch, bewältigte Stockwerke und Aktivitätenprotokolle nachverfolgen und das Gerät ist auch in der Lage den Schlaf zu überwachen und kann als lautloser Wecker verwendet werden. Das tragbare Accessoire kann mit iOS-, Android- und Windows-Geräten kommunizieren oder mit einer separat erhältlichen digitalen Waage, um Gewichtsinformationen zu speichern.
Die Garmin Vivoactive wird als eine der besten für echte Fitness-Fans bezeichnet – sie beeindruckt durch Datenhandhabung und -präsentation. Neben der Fähigkeit, Lauf-, Walking- und Fahrradaktivitäten zu überwachen kann die Software auch zur Auswertung von Golf- und Schwimm-Sessions verwendet werden. Sie funktioniert mit mobilen Geräten und Desktops, bietet schnelle Synchronisation und unterstützt Windows Mobile. Wahlweise steht mit den Garmin ANT+ Sensor-Accessoires ein Herzfrequenzmesser zur Verfügung, der an der Brust angebracht wird. Der ANT+ Sensor kommuniziert drahtlos mit dem Handgelenkgerät.
Abbildung 5: Die Garmin Vivoactive. (Quelle: The Verge)
Neue Generation
Während es sich bei den heutigen Sensoren meist um Geräte für das Handgelenk handelt, befindet sich bereits eine neue Generation von druckbaren, flexiblen Sensorenelementen in der Entwicklung. Diese erlauben Sensoren das direkte und kontinuierliche Sammeln von noch mehr Daten.
Das Center for High-Rate Nanomanufacturing der Northeastern University hat beispielsweise einen simplen, hoch empfindlichen Multi-Biosensor mit Halbleitern aus einwandigen Kohlenstoffnanoröhrchen (SWCNTs, Single-Walled Carbon Nanotubes), die auf ein flexibles Substrat gedruckt werden, entwickelt (Abbildung 6). Die SWCNTs verfügen über Enzymfixierung zur Echtzeiterkennung von D-Glukose, L-Laktat und Urea in Schweiß. Da diese Materialien druckbar sind, entfallen hohe Fertigungskosten.
Abbildung 6: Ein flexibler Biosensor basierend auf einwändigen Kohlenstoffnanoröhrchen, entwickelt vom CHN der Northeastern University. (Quelle: Electronic Products)
Am Center for Wearable Sensors der University of California, San Diego, hat ein Forscherteam ein auf der Haut auftragbares „Tattoo” entwickelt. Das tragbare elektrochemische Gerät besteht aus einem Elektrolyt- und Metabolitsensor, einer Biobrennstoffzelle und Batterien (Abbildung 7). Die Sensoren können am Arm des Nutzers angebracht werden, um Analyte zu überwachen – dem chemischen Bestandteil für Analyseverfahren.
Abbildung 7: Ein gedrucktes, flexibles und dehnbares „Tattoo” aus elektrochemischen Sensoren, das von Forschern am Center for Wearable Sensors der UCSD entwickelt wurde. (Quelle: Electronic Products)
Fortschreitende Entwicklungen im Sensordesign und der Sensorverpackung ermöglichen in Zukunft die kontinuierliche und bequeme Überwachung wichtiger Indikatoren. Als Ergebnis müssen wir uns weniger Gedanken um unsere Gesundheit machen und können das Leben länger genießen.
Die Anfänge
Im Jahre 2012 stellte Plessey Semiconductors einen der ersten Prototypen eines tragbaren Personal-Health-Geräts vor: einen Herzfrequenzsensor in Form einer Armbanduhr (Abbildung 1). Das Referenzdesign nahm mithilfe einer Sensorelektrode im ständigen Kontakt mit dem Handgelenk an der Rückseite des Geräts elektrokardiographische Signale (EKG) auf. Die Berührung einer zweiten Elektrode an der Gerätevorderseite mit dem Finger der anderen Hand ermöglichte die Aufnahme des Herzschlags.
Abbildung 1: Vorführmodell des EPIC-Sensors von Plessey Semiconductors. (Quelle: Electronic Products)
Das Vorführmodell basierte auf der EPIC-Sensortechnologie (Electric Potential Integrated Circuit) der PS25x01-Serie von Plessey, die in Zusammenarbeit mit der University of Sussex in Großbritannien entwickelt wurde. Die Sensoren waren die ersten, die Veränderungen in einem elektrischen Feld lesen konnten – so wie ein Magnetometer Veränderungen in einem Magnetfeld misst –, ohne dass physischer Kontakt oder Widerstand erforderlich ist. Die Technologie funktioniert bei normaler Raumtemperatur und fungiert als Impendanzsensor mit ultra hohem Eingang durch Verwendung von aktiven Feedback-Techniken zur Senkung der effektiven Eingangskapazität des Sensorelements und gleichzeitiger Erhöhung des Eingangswiderstands. Es handelt sich im Endeffekt um einen nahezu perfekten Spannungsmesser, hoch stabil und in der Lage winzige Veränderungen bis hin zu Millivolt in einem elektrischen Feld zu messen.
Ein weiteres gesundheitsbasiertes Sensorsystem mit elektrischem Potenzial auf viel höherem Niveau wurde 2012 von ams vorgestellt. Der programmierbare, voll integrierbare Blitzsensor ams AS3935 Franklin IC erkennt bevorstehende, potenziell gefährliche Gewitter und misst den Abstand zum Unwetter, sodass Nutzern genügend Zeit bleibt, um sich einen Unterschlupf zu suchen (Abbildung 2).
Abbildung 2: Der Blitzsensor AS3935 Franklin von ams. (Quelle: Electronic Products)
Bei dem Sensor handelt es sich um einen Funkempfänger mit integriertem Blitz-Algorithmus, der das eingehende Signalmuster auf sich nähernde Blitze kontrolliert und gleichzeitig menschengemachte Störungen herausfiltert. Ähnlich dem Plessey-Gerät plante ams die Technik als armbanduhrartiges Gerät auf den Markt zu bringen, beispielsweise zur Verwendung von Golfern auf dem Fairway.
Bei der Sensors Expo 2014 präsentierte ROHM/Kionix das Gerät als tragbaren Schlüsselanhänger. Das Vorführgerät überträgt Daten via Bluetooth Low Energy Spezifikation von multiplen Sensoren in dem Gerät an Smartphones und Tablets. Das Design integriert einen ultra hochsensiblen magnetischen Impedanzsensor (MI), einen Beschleunigungsmesser, ein Gyroskop, einen barometrischen Drucksensor, einen Näherungssensor/ALS (Ambient Light Sensor) und RGB-/UV-Sensoren in einem kompakten und leichten Gehäuse mit der Form eines Autoschlüssels (Abbildung 3).
Die Sensorerweiterung ermöglicht eine Reihe von Funktionen und Aktionen. Beispielsweise kann das Gerät als Aktivitätsanzeige fungieren und schätzt nicht nur den Kalorienverbrauch oder zählt Schritte sondern merkt sogar, wann der Nutzer Fahrzeuge benutzt (z. B. Bus, Bahn, Auto) oder Treppen läuft und speichert Reisezeiten. Wird der Schlüssel außen getragen, kann der Nutzer kontrollieren, wie viel UV-Strahlung er/sie ausgesetzt ist und Alarmgrenzen festlegen, um Sonnenbrand oder Melanomen vorzubeugen.
Das Gesundheitshandgelenk von heute
Heutzutage finden sich mehrere Smartwatches auf dem Markt. Zum Beispiel die brandneue Fitbit Surge oder die Garmin Vivoactive.
Die Fitbit Surge enthält ein GPS, einen 3-Achsen-Beschleunigungsmesser, ein 3-Achsen-Gyroskop, einen digitalen Kompass, einen optischen Herzfrequenzsensor, einen Höhenmesser, einen ALS und einen Vibrationsmotor. Die GPS-Überwachung ermöglicht es dem Nutzer, Distanzen, Geschwindigkeiten und Höhen sowie Routen und Zwischenzeiten zu überprüfen, während der optische Herzfrequenzsensor PurePulse ständige, automatische, handgelenkbasierte und vereinfachte zonenbasierte Herzschläge misst. Die Nutzer können Schritte, Entfernungen, Kalorienverbrauch, bewältigte Stockwerke und Aktivitätenprotokolle nachverfolgen und das Gerät ist auch in der Lage den Schlaf zu überwachen und kann als lautloser Wecker verwendet werden. Das tragbare Accessoire kann mit iOS-, Android- und Windows-Geräten kommunizieren oder mit einer separat erhältlichen digitalen Waage, um Gewichtsinformationen zu speichern.
Die Garmin Vivoactive wird als eine der besten für echte Fitness-Fans bezeichnet – sie beeindruckt durch Datenhandhabung und -präsentation. Neben der Fähigkeit, Lauf-, Walking- und Fahrradaktivitäten zu überwachen kann die Software auch zur Auswertung von Golf- und Schwimm-Sessions verwendet werden. Sie funktioniert mit mobilen Geräten und Desktops, bietet schnelle Synchronisation und unterstützt Windows Mobile. Wahlweise steht mit den Garmin ANT+ Sensor-Accessoires ein Herzfrequenzmesser zur Verfügung, der an der Brust angebracht wird. Der ANT+ Sensor kommuniziert drahtlos mit dem Handgelenkgerät.
Abbildung 5: Die Garmin Vivoactive. (Quelle: The Verge)
Neue Generation
Während es sich bei den heutigen Sensoren meist um Geräte für das Handgelenk handelt, befindet sich bereits eine neue Generation von druckbaren, flexiblen Sensorenelementen in der Entwicklung. Diese erlauben Sensoren das direkte und kontinuierliche Sammeln von noch mehr Daten.
Das Center for High-Rate Nanomanufacturing der Northeastern University hat beispielsweise einen simplen, hoch empfindlichen Multi-Biosensor mit Halbleitern aus einwandigen Kohlenstoffnanoröhrchen (SWCNTs, Single-Walled Carbon Nanotubes), die auf ein flexibles Substrat gedruckt werden, entwickelt (Abbildung 6). Die SWCNTs verfügen über Enzymfixierung zur Echtzeiterkennung von D-Glukose, L-Laktat und Urea in Schweiß. Da diese Materialien druckbar sind, entfallen hohe Fertigungskosten.
Abbildung 6: Ein flexibler Biosensor basierend auf einwändigen Kohlenstoffnanoröhrchen, entwickelt vom CHN der Northeastern University. (Quelle: Electronic Products)
Am Center for Wearable Sensors der University of California, San Diego, hat ein Forscherteam ein auf der Haut auftragbares „Tattoo” entwickelt. Das tragbare elektrochemische Gerät besteht aus einem Elektrolyt- und Metabolitsensor, einer Biobrennstoffzelle und Batterien (Abbildung 7). Die Sensoren können am Arm des Nutzers angebracht werden, um Analyte zu überwachen – dem chemischen Bestandteil für Analyseverfahren.
Abbildung 7: Ein gedrucktes, flexibles und dehnbares „Tattoo” aus elektrochemischen Sensoren, das von Forschern am Center for Wearable Sensors der UCSD entwickelt wurde. (Quelle: Electronic Products)
Fortschreitende Entwicklungen im Sensordesign und der Sensorverpackung ermöglichen in Zukunft die kontinuierliche und bequeme Überwachung wichtiger Indikatoren. Als Ergebnis müssen wir uns weniger Gedanken um unsere Gesundheit machen und können das Leben länger genießen.