Wearable Sensoren für eine fortschrittliche Kommunikation

Die meisten Smartwatches und Fitness-Tracker sind vollgestopft mit Sensoren. Die Apple Watch Series 4 zum Beispiel hat einen barometrischen Höhenmesser, um die Höhe zu messen, einen elektrischen Herzsensor, um das EKG zu messen und einen Beschleunigungssensor, um die Bewegung zu verfolgen.

Des weiteren einen optischen Herzsensor, um die Herzfrequenz zu messen, ein Gyroskop, um die Bewegung und Rotation zu verfolgen, und einen Umgebungslichtsensor, um die Helligkeit deines Bildschirms zu kontrollieren.

Obwohl der Platz im Inneren von Wearables extrem begrenzt ist, werden neue Sensoren hinzugefügt, die uns nicht nur mehr Informationen über uns selbst, sondern auch über die Welt um uns herum liefern. Apple hat vor kurzem die Dinge auf den Kopf gestellt, indem es einen elektrischen Herzsensor in die Series 4 einbaute, und es wird erwartet, dass viele weitere Tech-Marken diesem Beispiel folgen werden.

Luftqualität, Verschmutzung und giftige Gase

In den letzten vier Jahren gab es einen Anstieg an Technologien, die die Qualität der Luft um uns herum messen, egal ob es sich um allgemeine Verschmutzung und Allergene oder schädliche Gase und Toxine handelt.

Luftsensoren und Reinigungssysteme sind nicht neu und haben mit Geräten wie dem Netatmo Home Coach bereits Einzug in unsere intelligente Häuser gehalten. Aber die Luft, die wir zu Hause atmen, macht nur einen Teil unseres Tages aus.

Das Problem bei der Integration von Luftsensorik in Wearables ist, dass das Erfassen der Daten von einer Reihe verschiedener Komponenten abhängt. Flow zum Beispiel schießt einen Laserstrahl von einem Feinstaubsensor auf Luftpartikel, die in das Gerät gelangen. Das von ihnen gestreute Licht wird in einen elektrischen Strom umgewandelt, der dann von einem VOC- und NOC-Sensor gelesen wird.

Es gibt andere Möglichkeiten, die Luftqualität zu messen, aber im Moment ist es eine Herausforderung, diese Art von Technologie in das kleine Gehäuse einer Smartwatch zu packen.

Das heißt aber nicht, dass die Hersteller es nicht versuchen. Bereits 2019 entdeckte das Team von Apple ein Patent für die Integration von Sensoren für giftige Gase in der Apple Watch und dem iPhone. Das Patent zielt hauptsächlich auf die Erkennung von Kohlenmonoxid ab, ein geruchloses Gas, das tödlich sein kann.

Obwohl die meisten Apple-Patente nicht den Weg zu einem fertigen Produkt finden, ist dieses interessant, weil es in einer anderen Iteration als kontinuierlicher Monitor verwendet werden könnte, wie der Flow, aber an unseren Handgelenken.

Dies könnte dazu dienen, die Luftqualität in Gebieten mit hoher Luftverschmutzung zu überwachen. Es könnte aber auch in bestimmten Berufen genutzt werden, wie z.B. von Bergleuten, die auf das Vorhandensein von giftigen Gasen aufmerksam gemacht werden müssen.

Warum Sensoren in Waerables ?

Für die meisten ist das erste Objekt, das einem in den Sinn kommt, wenn man den Begriff „Wearable“ hört, wahrscheinlich irgendeine Art von Fitness-assoziierter Gadget für das Handgelenk.

Das Handgelenk ist ein idealer Ort für einen Tracker wie FitBit oder eine Apple Watch, da es eine Stelle ist, an der der Puls leicht geortet und gemessen werden kann. Während der Sensor gleichzeitig die Bewegung messen kann (meist in Schritten basierend auf bestimmten Armbewegungen).

Wenn man sich jedoch von den Fitness-Wearables wegbewegt und sich in den Bereich der medizinischen Wearables begibt, ändern sich die Informationen, die für die Analyse gesammelt werden. Generell sammeln medizinische Wearables andere Informationen als ein Fitness-Tracker.

Da der Markt für verschiedene Arten von Wearables wächst, werden verschiedene Arten von Sensoren mit unterschiedlichen Funktionen entwickelt. Doch welche Arten von Sensoren werden in Wearables verwendet, die die Analyse von Daten sowohl auf Fitness- als auch auf medizinischer Ebene ermöglichen?

Auf der grundlegendsten Ebene müssen alle Sensoren, die in einem Wearable Device verwendet werden, biokompatibel sein. Das bedeutet, dass der Sensor sicher mit dem Körper – einer biologischen Form – interagieren kann, ohne Schäden oder Beeinträchtigungen der Form zu verursachen. Darüber hinaus variieren die internen Sensoren aufgrund der verschiedenen Funktionen, die diese Geräte beinhalten können, von Gerät zu Gerät.

Einige gängige Sensoren, die in tragbaren medizinischen Geräten verwendet werden, sind Temperatur-Thermistoren (detektiert die Temperatur der Hautoberfläche), piezoelektrische Sensoren (werden zur Überwachung der Herzfrequenz verwendet) und Photoplethysmographie (die Detektion des Blutvolumens in einem bestimmten Hautbereich).

Kompromisse bei biometrischen Wearables und Sensormodalitäten

Es gibt immer Kompromisse bei biometrischen Wearables und den beteiligten Sensormodalitäten. Du kannst ein Gerät haben, das viele verschiedene Sensortypen hat (z.B. PPG, EKG, GSR und EEG), eine sehr lange Akkulaufzeit und tausende von Messungen pro Sekunde durchführt.

Allerdings ist es wahrscheinlich sperrig, unbequem, sehr empfindlich gegenüber Sensorplatzierung und Bewegungsartefakten (was durch die Vielzahl der Sensortypen noch verstärkt wird).

Du musst die richtige Balance zwischen den verschiedenen Faktoren finden, die für deinen Anwendungsfall und deine Kundenerfahrung wichtig sind. Typischerweise sind die Hebel, die man ziehen kann und die Schlüsselfragen, die man stellen muss, folgende:

• Tragbarkeit und Komfort. Wie lange müssen die Menschen das Gerät für die Studie tragen? Wie lange müssen sie das Gerät tragen, um das gewünschte Ergebnis in der realen Welt zu erreichen?
• Autonomie der Messung. Müssen die Messungen, die das Gerät vornimmt, nahtlos und autonom im Hintergrund erfolgen, während die Menschen ihr Leben genießen, oder kann die Testperson benachrichtigt werden, um eine Aktivität zu unterbrechen und eine manuelle Messung vorzunehmen?
• Bewegungstoleranz. Sitzen die Probanden während der Messung still oder tragen sie das Gerät durch ihre täglichen Aktivitäten?
• Messhäufigkeit. Wie oft führt das Gerät Messungen durch?
• Datenkommunikation. Wie oft kommuniziert das Gerät Daten und wohin sendet es diese Daten?
• Langfristige Haltbarkeit. Wie lange wird das Gerät voraussichtlich halten? Elektroden, zum Beispiel, haben keine langfristige Haltbarkeit in Wearables gezeigt.
• Akkulaufzeit. Das Aufladen oder Wechseln des Akkus hat einen direkten Einfluss auf die Adhärenz, das Gerät zu tragen. Wie lange ist die Akkulaufzeit für deinen Anwendungsfall lang genug?

Medizinische Wearables haben den größten Einfluss in ambulanten medizinischen Anwendungsfällen

Medizinische Wearables sind vor allem für medizinische Geräte relevant, die bei alltäglichen Aktivitäten zuverlässig funktionieren müssen, wo traditionelle medizinische Maßstäbe nicht funktionieren können.

Die Definition von „regulären Lebensaktivitäten“ und die geforderte „Messschärfe“ richten sich nach dem Verwendungszweck (dem Use Case) und den medizinischen Ansprüchen, die mit der Lösung erhoben werden sollen. Im Allgemeinen hat der Markt bisher bewiesen, dass es akzeptabel ist, die Tragbarkeit des Sensors über die Messgenauigkeit für ambulante Anwendungen zu stellen.

Wir haben auch gesehen, dass sich vier Hauptmodi der biometrischen Überwachung herauskristallisiert haben, um medizinische Wearable-Anwendungen zu beweisen:

• Ambulantes Monitoring. Das Wearable-Gerät ersetzt ein unhandliches „medizinisches“ Gerät für den ambulanten Einsatz; zum Beispiel ersetzt die PPG-basierte Blutdrucküberwachung die Verwendung von Blutdruckmanschetten.
• Stellvertreter. Einige Wearable-Sensoren können einen geeigneten Ersatz für andere „medizinische“ Sensoren darstellen; zum Beispiel PPG-Sensoren als Ersatz für EEG in der Neuromodulationstherapie und im Schmerzmanagement.   
• Augmentation. Die Verwendung eines tragbaren Geräts zur Ergänzung einer Pharmakotherapie oder eines digitalen Therapeutikums, um einen tieferen Einblick zu erhalten, wie die Person auf die Therapie anspricht – sowohl akut als auch chronisch.
• Screening. Das Wearable-Gerät sucht kontinuierlich nach einem potenziellen medizinischen Zustand, z.B. Wearables mit PPG-Sensoren, die für das Screening auf unregelmäßige Herzrhythmen verwendet werden und dann die Person auffordern, ein EKG zu machen, um Vorhofflimmern oder andere Arrhythmien zu überprüfen. 

Es braucht immer VIEL mehr Daten als du denkst

Zu guter Letzt ist da noch die Datenerfassung. Egal wie viele Daten du jetzt glaubst zu benötigen, rechne damit, dass es mindestens das Doppelte oder Dreifache sein wird. Mit der zunehmenden Bedeutung von Data Science und maschinellen Lerntechniken für die Nutzung von Wearable-Sensordaten ist der Bedarf an mehr Daten in fast jedem Anwendungsfall, den wir gesehen haben, deutlich gestiegen.

Darüber hinaus gibt es Grenzen für Deep Learning, um akute Anwendungsfälle zu adressieren. So müssen die gesammelten Daten richtig klassifiziert und mit Referenzdaten von einem Referenzgerät abgeglichen werden. 

Während Millionen von gelabelten EKG-Daten von Dutzenden Universitäten und Krankenhäusern auf der ganzen Welt bezogen werden können, gilt dies nicht für PPG- und Auskultationsdaten. Diese gelabelten Datensätze existieren einfach nicht in ausreichender Menge für nützliche Deep-Learning-Ansätze und müssen daher mit massiven Datenerhebungsbemühungen erstellt werden.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass wir uns noch in einem frühen Stadium befinden, wenn es darum geht, neue medizinische Anwendungsfälle mit biometrischen Wearables zu entwickeln. Dennoch hoffe ich, dass diese Tipps hilfreich sind, um in diesem Labyrinth zu navigieren und zu beweisen, dass diese bahnbrechenden Ideen in Zukunft funktionieren werden.