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Am Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration will man zusammen mit Partnern mit einem neuen Low-Power-Radarsystem der Unterversorgung in ländlichen Regionen etwas entgegensetzen.
Mit Radartechnik wider der medizinischen Unterversorgung in ländlichen Regionen – dieses Ziel hat sich ein Team am Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM gesetzt. Gemeinsam mit Partnern haben sie ein mobiles Low-Power-Radarsystem entwickelt, mit dem ein berührungsloses Patientenmonitoring möglich wird. Ohne Sensor am Körper können Vitaldaten wie Herz- und Atemfrequenz gemessen werden.
Damit könnte das neue System vor allem das klassische EKG ersetzen, dass über am Körper befestigten Elektroden den Herzschlag misst. Dank der neuen, nicht-invasiven Messtechnik ist das medizinische Personal in der Lage, die Vitalparameter der Betroffenen kontinuierlich und kontaktlos aus der Distanz zu überwachen und bei Auffälligkeiten und Abweichungen schnell zu reagieren – ideal also für die Fernüberwachung in ländlichen Regionen.
Hinter dem Hochfrequenz-Radarsensorsystem stehen neben dem Fraunhofer IZM auch die brandenburgische Technischen Universität Cottbus-Senftenberg, das Ferdinand-Braun-Institut, das Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH), das Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik sowie die Thiem-Research GmbH. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF fördert das Vorhaben im Rahmen des Innovationscampus Elektronik und Mikrosensorik (iCampus) Cottbus.
Messen sogar durch die Matratze hindurch
Durch Kleidung, Bettdecken und sogar durch Matratzen hindurch erfasst der neue Radarsensor Vitalparameter wie Herz- und Atemfrequenz der Patienten und überträgt die Daten an die Monitoring-Geräte. „Das Radarsensorsystem erzeugt mithilfe der Radarchips und Antennen elektromagnetische Wellen, die vom Körper reflektiert werden. Die reflektierten Wellen werden durch die rhythmische Bewegung der Brustwand aufgrund der Atem- und Herzaktivität moduliert. Dies kann mithilfe des Radarsensors gemessen und ausgewertet werden, um die Vitalparameter zu extrahieren“, erläutert Prof. Dr. Ivan Ndip, Leiter der Abteilung RF & Smart Sensor Systems am Fraunhofer IZM, die Funktionsweise des innovativen Hochfrequenz-Radarsensorsystems.
Daraus lassen sich medizinische Aspekte des Atmungs- und Herz-Kreislauf-Systems, wie etwa Belastungszustände oder bestimmte Herzrhythmusstörungen, bestimmen. Somit können viele Krankheiten, die mit Anomalien des Atmungs- und Herz-Kreislauf-Systems einhergehen, früher erkannt werden. Einmal installiert, ist das Medizin-Radar imstande, kleinste Bewegungen der Körperoberfläche – hervorgerufen durch Atmung und Herzschlag – zu erfassen. Die Einsatzbereiche sind vielfältig: Sie reichen etwa von der Überwachung von Säuglingen, Brandopfern und Menschen mit Schlafstörungen, über medizinisch Bedürftige in Pflegeheimen bis hin zu Autofahrern und -insassen, insbesondere Kindern.
Klinisch geprüft
Im Rahmen einer klinischen Prüfung wurde das Radarsensorsystem in ein Kunststoffgehäuse eingebaut und unter einem Krankenhausbett angebracht. Bei der Entwicklung des Radarsensorsystems haben die Wissenschaftler des Fraunhofer IZM die Auswirkungen des Gehäuses und der realen Umgebung, in der das Radarsensorsystem eingesetzt wird, berücksichtigt, um Fehlfunktionen im Betrieb zu vermeiden. Insbesondere wurden die Auswirkungen des Kunststoffgehäuses und des Krankenhausbetts beim Antennendesign berücksichtigt. Durch Designanpassungen des Hochfrequenz-Frontend-Boards und der Antennen soll sich die Reichweite des Radarsensorsystems erweitern lassen, sodass es künftig flexibel im Raum platzierbar ist und beispielsweise auch an Wänden und Decken befestigt werden kann. „Ziel ist es, in Zukunft Messungen mit größerer Distanz zum Patienten und das gleichzeitige Monitoring mehrerer Patienten zu ermöglichen“, sagt Uwe Maaß, Teamkollege von Prof. Ndip.
Zuverlässig und systematisch
Dabei war die Entwicklung kein Selbstläufer. Vielmehr ist die zuverlässige berührungslose Messung von Vitalparametern mittels Radar eine große Herausforderung – vor allem da das von Mikrobewegungen der Brustwand reflektierte Signal sehr schwach ist. Darüber hinaus erschweren reflektierte Signale von Personen oder Gegenstände in der Nähe des Patienten, Systemrauschen und Bewegungen anderer Körperteile des Patienten eine zuverlässige Erfassung der Vitalparameter. Um diese Hürden zu überwinden, musste das Team vor allem an einer innovativen Hardware-Designlösungen arbeiten, die ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) sowie leistungsfähige Signalverarbeitungsalgorithmen gewährleisten. Dank einer speziellen Auslegung der Antennen ist es den Experten gelungen, die elektromagnetischen Wellen zielgerichtet auf einen schmalen Streifen des Oberkörpers zu fokussieren.
Der Prototyp des Medizin-Radars wird seit September 2023 durch die Thiem-Research GmbH, einer Tochtergesellschaft der Medizinischen Hochschule Lausitz – Carl-Thiem in Cottbus, klinisch getestet. In der klinischen Prüfung untersuchten die Projektpartner, wie zuverlässig das System die Vitalparameter misst und wie die Messwerte mit dem Referenz-EKG korrelieren. „Erste Messungen mit Probanden in Rücken-, Seiten- und Bauchlage sind erfolgreich verlaufen“, resümiert Prof. Ndip. In der zweiten Phase des BMBF-Projekts gelang es den Experten, das Design zu einem mehrkanaligen Radarsensorsystem zu erweitern, dass das Potenzial zur gleichzeitigen berührungslosen Erfassung der Vitalparameter mehrerer Personen hat.
