Textile Weste und Sensorpflaster: Flexible Wearables für den Alltag
Die Datenerfassung in den Wearables gewährleisten mehrkanalige, halbtrockene Textil-Elektroden, die relevante Signale von störenden Körperbewegungen unterscheiden können. Die hautfreundlichen Elektroden sind über Klettverschlüsse so in die waschbare Textilweste integriert, dass sie je nach Größe und Statur der Träger optimal am Körper anliegen und ohne vermittelndes Gel direkt in Kontakt zur Haut treten.
Egal ob als Weste oder Pflaster – das intelligente Sensorsystem misst eine Fülle medizinisch relevanter Signale wie Körpertemperatur, Atemfrequenz, Herz- und Lungentöne, Blutdruck und -sauerstoffgehalt, Schlag- und Herzzeitvolumen, ein vollständiges 12-Kanal-EKG und vieles mehr. Aus insgesamt 40 erfassten Rohdaten lassen sich 110 kardiologische Parameter ableiten. Sie liefern ein Gesamtbild der Herz-Kreislauf-Funktionen während unterschiedlicher Aktivitäten: Wenn die Person wach ist oder schläft, Sport treibt oder Stress erlebt, sich freut oder aufregt.
Ganzheitliches Herz-Monitoring mit tausend Messpunkten pro Sekunde
Um dieses beeindruckende Arsenal an modernster Medizintechnik in bequeme, alltagstaugliche Wearables zu packen, mussten die verschiedenen Messinstrumente zunächst miniaturisiert und über Schnittstellen miteinander verzahnt werden. Das Ergebnis ist eine Weltneuheit, wie Basel Adams betont: »Es gibt zwar alle möglichen leistungsfähigen Geräte auf dem Markt. Doch sie sind viel zu groß und liefern in der Regel keine Rohdaten, sondern abgeleitete Ergebnisse. Außerdem haben sie keine definierte Schnittstelle, weil jeder Hersteller auf sein eigenes System setzt.«
Die neuen Wearables können sämtliche Daten mit jeweils tausend Messpunkten pro Sekunde synchron aufnehmen und abgleichen. Doch damit nicht genug. »Das System bekommt Inputs aus zwei weiteren Datenquellen«, erklärt Adams. Anfangs erstellt ein Kardiologe ein Profil des Patienten oder der Patientin mit allen Informationen über bekannte Erbkrankheiten, frühere Operationen und eingenommene Medikamente. »Außerdem fragen wir die Person, wie sie sich momentan fühlt, ob sie schnell müde wird, Brustschmerzen, Atembeschwerden oder andere Auffälligkeiten bemerkt hat.« Dazu stellt ein Chatbot einmal am Tag fünf bis zehn Minuten lang Fragen, ähnlich wie ein Arzt sie stellen würde, und speichert die Antworten zusammen mit den anderen Daten in der Cloud.
Künstliche Intelligenz lernt mit Messdaten und kardiologischen Leitlinien
Bei jeder Messung fließen somit mehr als tausend Informationen aus drei Quellen zusammen und dienen dem System als Basis für eine Diagnose oder Risikoanalyse. »Entscheidend ist, dass wir alle diese Signale synchronisiert erfassen. So kann die KI lernen, Muster zu erkennen und die richtigen Schlüsse daraus zu ziehen. Darin liegt die diagnostische Kraft«, erläutert Adams. Das nötige Fachwissen hat er sich im intensiven Austausch mit den Kardiologen der Charité zunächst selbst angeeignet und dann damit die KI trainiert. Als Grundlage dienen die Leitlinien der Deutschen Gesellschaft für Kardiologie. »So wollen wir sicherstellen, dass unser System nach denselben Kriterien vorgeht wie der Arzt in der Praxis.«
Bevor die sensorbestückten Westen und Pflaster an herzkranken Menschen erprobt werden können, müssen sie in klinischen Studien ihre Funktionsfähigkeit beweisen. Die Frage lautet: Liegt das KI-gestützte System in seinen Diagnosen und Therapieempfehlungen richtig? Oder trifft es sogar bessere Einschätzungen als erfahrene Kardiologen? Während Basel Adams Partner für Studien sucht – die erforderliche Genehmigung der Ethikkommission liegt inzwischen vor –, denkt sein Kollege Lukas Werft schon über weitere Verbesserungen der Wearables nach. Der Materialtechniker war in der Fraunhofer IZM-Gruppe System On Flex maßgeblich an der Entwicklung der Textilien mit integrierbarer flexibler Elektronik beteiligt. Im derzeitigen Westenmodell leiten die verschiedenen Messelektroden ihre Signale über konventionelle Kabel, die zwischen zwei Textilschichten verlegt sind. »Wenn unser Produkt später auf den Markt kommen soll, könnte man die Elektroden beispielsweise in ein T-Shirt integrieren«, überlegt er. »Das sollte man nach dem Tragen einfach in die Waschmaschine werfen können, im Idealfall beliebig oft. Und dann wäre es natürlich praktisch, wenn man vorher nicht jedes Mal die ganzen Kabel herausnehmen müsste.«
Flüssigmetall-Tinte für smarte Textilien
Der Forscher hat auch schon eine Idee, wie sich dieses Problem lösen ließe: mit einer druck- und waschbaren Tinte aus Flüssigmetall, die er zusammen mit Kollegen am Fraunhofer IZM entwickelt hat. Hauptbestandteil dieser neuartigen Liquid Metal Ink (LMI) ist Galinstan, eine elektrisch leitfähige Legierung aus Gallium, Indium und Zinn. Sie lässt sich auf thermoplastisches Polyurethan, also einen durch Wärme verformbaren Kunststoff, aufdrucken und verkapseln – und anschließend mittels Lamination in handelsübliche Textilien einarbeiten. »Wenn wir die konventionellen Zuleitungen durch das Flüssigmetall ersetzen könnten, ließen sich sensorbestückte Textilien wie T-Shirts oder Westen sehr langlebig und waschbar gestalten«, betont Werft.
Eine weitere medizinische Anwendung der Flüssigmetalltinte sieht Lukas Werft in der Kinderheilkunde: »Leider sterben noch viel zu viele Babys am plötzlichen Kindstod, weil in der Nacht unbemerkt die Atmung aussetzt. Herkömmliche Überwachungssysteme sind unbequem und umständlich zu handhaben. Unser Ansatz wäre, Galinstan-basierte Dehnungssensoren direkt in die Babykleidung zu integrieren.« Der Prototyp eines sensorbestückten Schlafanzugs für Babys hat seine Funktionsfähigkeit schon bewiesen: in einem europaweiten Forschungsprojekt namens »Newlife«.
Fraunhofer-Gesellschaft
