Fraunhofer Institut für Integrierte Schaltungen IIS

Fraunhofer Institut für Integrierte Schaltungen IIS
Abteilung Bildverarbeitung und Medizintechnik
Mikroskopie
Endoskopie
METEAN
Dipl.-Ing. Christian Hofmann
21. Oktober 2014, Weimar, SmartTex-Netzwerktreffen
© Fraunhofer IIS
Medizinische
Sensorsysteme
Medizinische
Kommunikation &
Biosignalverarbeitung
Bildverarbeitung und Medizintechnik
Fraunhofer IIS
 Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS
 1985 gegründet
 Ca. 850 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter
 Budget über 100 Mio €
 Finanzierung
> 75 % Projekte
< 25 % Grundfinanzierung
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© Fraunhofer IIS
Bildverarbeitung und Medizintechnik
Fraunhofer IIS
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Audio und Multimedia
Bildsysteme
Digitale Rundfunksysteme
Eingebettete Systeme
IC-Design und Entwurfsautomatisierung
Kommunikationsnetze
Lokalisierung und Navigation
Logistik
Medizintechnik
Optische Prüfsysteme
Röntgentechnik
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© Fraunhofer IIS
Bildverarbeitung und Medizintechnik
Fraunhofer IIS
Mikroskopie
Endoskopie
METEAN
Medizinische
Sensorsysteme
Medizinische
Kommunikation &
Biosignalverarbeitung
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© Fraunhofer IIS
Mikroskopie
SCube ® – Modulare Plattform für die Mikroskopie
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
Modulare Plattform für
Laborautomatisierung und
Forschung
Automatisierte Dia Handhabung
(bis zu 20 Kassetten à 10
Objektträger)
Automatisches Auftragen von
Immersionsöl
Wechsler mit drei Objektiven
Software-Entwicklungspaket und
intuitive Scanning-Software
Flexibles und modulares Konzept
für einfache Wartung und
individuelle Anpassungen
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Endoskopie
Detektion von Polypen
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Unterstützung bei der Befundung in
der Koloskopie
Steigerung der Aufmerksamkeit
Evaluierung der Videoqualität
Potenziell nutzbar für die
Kapselendoskopie
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METEAN
Hintergrund
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Räumlichkeiten im Herzen des
Universitätsklinikums
Dienstleistungsangebot entlang des
vollständigen Entwicklungszyklus
von der anfänglichen Idee bis zur
Vermarktung des Produktes
Vorbereitung und Durchführung
von klinischen Studien
Hervorragende Lösungen durch
interdisziplinäres Team
Zugang zu allen Kompetenzen der
Fraunhofer-Gesellschaft und des
Universitätsklinikums Erlangen
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METEAN
Portfolio

Test und Zulassungsprozeduren
 Verifizierung
 Validierung
 Anwendungsbeobachtung
 Datenerhebung, Datenanalyse und
Datenmanagement
 Forschung und Entwicklung in
Übereinstimmung mit
harmonisierten Standards:
 DIN EN ISO 13485
 DIN EN ISO 14971
 DIN EN 60601
 DIN EN 62304
 Anleitung und Training
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METEAN
Portfolio
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Medizinische Sensorsysteme
Aktivitäten und Kompetenzen
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Sensortechnologien
Vitalparametermonitoring
Bewegungserfassung
Signalverarbeitung mit Embedded Systems
Sensorikintegration
Drahtlose Kommunikation
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Medizinische Kommunikation & Biosignalverarbeitung
Aktivitäten und Kompetenzen
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Biosignalverarbeitung
Bewegungsanalyse
Standardisierte Kommunikation von medizinischen Daten
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Medizinische Sensorsysteme
Mobile einsetzbare Sensorik – Wearables
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
Einsatzszenarien Medizintechnik
Motivation
Kommerzielle Produkte
Systemarchitektur
Einflussfaktoren Energiebedarf
 Sensorikwirkprinzip
 Signalverarbeitungskonzept
 Funktechnologie
Diskussion Energy Harvesting
Textile Integration
Zusammenfassung
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© Fraunhofer IIS
Medizinische Sensorsysteme
Einsatzszenarien Medizintechnik
Monitoring
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Assistenzsysteme
Sport und Freizeit
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Medizinische Sensorsysteme
Anwendungsgebiet Sport und Freizeit

Erfassung der körperlichen Anstrengung zur Trainingskontrolle und -optimierung
 Messung physiologischer Größen (z.B. Puls, Atmung)
 Erfassung und Auswertung der Aktivität / Bewegung
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Medizinische Sensorsysteme
Phänomen »Selbstvermessung«

The Quantified Self ist ein Netzwerk aus Anwendern und Anbietern von Methoden sowie Hard- und
Softwarelösungen, mit deren Hilfe sie z.B. umwelt- und personenbezogene Daten aufzeichnen,
analysieren und auswerten. Ein zentrales Ziel stellt dabei der Erkenntnisgewinn u.a. zu persönlichen,
gesundheitlich- und sportlichen, aber auch gewohnheitsspezifischen Fragestellungen dar.
(Quelle: Wikipedia)

Regelschleife
 Messen
 Analysieren
 Anpassen

Objektive (!) Messdaten mittels Sensoren als Bewertungsgrundlage


http://quantifiedself.com/
http://qsdeutschland.de/
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Medizinische Sensorsysteme
Messung physiologischer Parameter

Pulsbrustgurt (verschiedene Hersteller)
 ~80er: Profisportler
Preis: mehrere Hundert-D-Mark
 ~90er: ambitionierte Hobbysportler
Preis: Einsteigermodell unter 100 Mark
 Ab 2000:
Preis: einfache Modelle ab ca. 20 Euro

Teilweise Kombination mit textilen
Messwertaufnehmer

GPS Funktionalität

Mobile Spirometrie
Quelle: Google-Bilder
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Medizinische Sensorsysteme
Erfassung und Auswertung der Bewegung

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


Einfacher Schrittzähler im/am Schuh
Bewegungserfassung an der Hüfte
Bewegungserfassung am Handgelenk
(diverse Hersteller)
Smartphone-Apps
(Auslesen der internen Sensoren)
Funktionsumfang (beispielhaft)
 Anzahl Schritte
 Zurückgelegte Distanz
 Verbrannte Kalorien
Quelle: Google-Bilder
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Medizinische Sensorsysteme
Grundfunktionen einer Sensorikeinheit




Allgemeine Beschreibung eines »Sensors« (vgl. Wikipedia):
Ein Sensor (von lateinisch sentire: fühlen oder empfinden), auch als
 auch als (Messgrößen- oder Mess-) Aufnehmer,
 (Mess-) Fühler oder
 Detektor bezeichnet
Erfasst bestimmte physikalische oder chemische Eigenschaften.
Eingangsgrößen (z.B. Temperatur, Feuchtigkeit, Druck, Schall, Helligkeit, Beschleunigung) werden
mittels physikalischer oder chemischer Effekte erfasst und in ein elektrisches Signal zur weiteren
Verarbeitung umgeformt.
Weitere Besonderheiten mobil einsetzbarer Sensorik
 Energieversorgung
 Datenspeicherung
 Datenübertragung (drahtlos)
 Geringe Abmaße und lange Betriebsdauer
 Hoher Tragekomfort für den Nutzer und Unauffälliges Tragen
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Medizinische Sensorsysteme
Grundelemente einer Sensorikeinheit

Beispielhafte Systemarchitektur eines mobil einsetzbaren Sensormoduls:
Power
Akku
Treiber
Stecker
Messwertaufnehmer
MCU
Funk
Verstärker
Display
© Fraunhofer IIS
Filter
Taster
GPS
Speicher
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Medizinische Sensorsysteme
Grundelemente einer Sensorikeinheit

Beispielhafte Systemarchitektur eines mobil einsetzbaren Sensormoduls:
Power
Akku
Treiber
Stecker
Messwertaufnehmer
MCU
Funk
Verstärker
Display
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Filter
Taster
GPS
Speicher
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Medizinische Sensorsysteme
Beispiele Vitalsensorik des Fraunhofer IIS

EKG
 EKG-Elektroden
 Verstärker / Filter
 A/D-Wandlung

Atmung
 Atmungsband
 Treiber (elektrisch)
 Verstärker / Filter
 A/D-Wandlung

SpO2
 Fingerclip
 Treiber (optisch)
 Licht-Strom-Spannung
 Verstärker / Filter
 A/D-Wandlung

Schlafanalyse
 Multiparameter-Einheit
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Medizinische Sensorsysteme
Beispiel Bewegungsanalyse Fraunhofer IIS


Sensoreinheit ActiSENS mit Signalverarbeitungskette zur Bewegungsklassifikation
Auch als Algorithmen-Bibliothek für Smarthpone-Apps
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Medizinische Sensorsysteme
Einflussfaktoren auf den Energiebedarf

Folgende Betriebseigenschaften beeinflussen
den Energiebedarf in besonderem Maße:
 Sensorisches Wirkprinzip
 Signalverarbeitungskonzept
 Analog oder digital
 Onboard oder
 Signalverarbeitungsplattform
 Datenübertragung / Funktechnik




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Analoge Signalverarbeitung vs.
Kontinuierliche Abtastung und Digitale
Signalverarbeitung
MCU Dauerbetrieb vs. Duty Cycle
Signalvorverarbeitung vs.
Rohdatenübertragung
ZigBee vs. Bluetooth vs. BLE
Medizinische Sensorsysteme
Energiebedarf sensorisches Wirkprinzip

EKG
 Einkanal
 3-Kanal
ca. 3 mA
< 100 µA

Atmungserfassung
< 50 µA

Plethysmographie
~ 5 mA

Bewegungsklassifikation
 Beschleunigung
 Gyroskop
< 500 µA
~ 5 mA
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Medizinische Sensorsysteme
Energiebedarf Signalverarbeitung (1)


Analoge Signalverarbeitung am Beispiel / Rhythmogramm (vereinfacht):
 Rohsignal EKG (Eingangsstufe)

Rhythmogramm am Eingang eines Komparators
HR: 90
richtig

Plausiblitätsprüfung nur bedingt wirksam
HR: 150
falsch!
Digitale Signalverarbeitung
 Kontinuierlich abgetastetes EKG
Komparator
HR: 90
HR: 91


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Sämtliche Methoden der digitalen Signalverarbeitung möglich (adaptive Filter)
Mobiler Einsatz: Bewegungsartefaktunterdrückung
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Medizinische Sensorsysteme
Energiebedarf Signalverarbeitung (2)

Onboard Signalverarbeitung
 Analyse der erfassten Rohdaten (kontinuierlich abgetastete Kurven)
 Ableitung charakteristischer, numerischer Kennwerte (med.: Sekundärparameter)
 Mehr Verarbeitung (MCU)
 Weniger Datenübertragung (Funk!)
Erfassung
Verarbeitung
Speicherung
Übertragung

Rohdatenübertragung
 Auswertung der erfassten Daten durch ein anderes Gerät (z.B. PC)
 Weniger Verarbeitung (MCU)
 Mehr Datenübertragung (Funk!)

Es gibt nicht DAS beste Konzept, sondern eine für die spezifische Anforderung optimale Lösung!
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Medizinische Sensorsysteme
Energiebedarf Signalverarbeitung (3)

Einfache Mikrocontrollereinheit im Dauerbetrieb
 Geringe Kosten, aber begrenzte Ressourcen und Performance (Speicher + Taktfrequenz)
  Lange Rechenzeiten  hoher Energieverbrauch
Erfassung
Verarbeitung

Komplexe Mikrocontrollereinheit mit Duty-Cycle
 Höherer Preis, mehr Ressourcen und bessere Performance
  kürzere Rechenzeiten  geringerer Energieverbrauch
Speicherung
Übertragung
Pause
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Medizinische Sensorsysteme
Energiebedarf Funktechnologie (1)




Standardisierte Funktechnologien
 WLAN / WIFI
 Bluetooth
 ZigBee
 Bluetooth Low Energy
 ANT+
 Spezifische Technologien und Protokolle (medizinische Implantate)
Proprietäre Konzepte
Wichtige Merkmale
 Datenrate / Paketgröße
 Reichweite
 Netzwerkfähigkeit
 Übertragungssicherheit
 Strombedarf
Es gibt nicht DIE beste Funktechnik, sondern eine für die spezifische Anwendung optimale Lösung!
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Medizinische Sensorsysteme
Energiebedarf Funktechnologie (2)

Vergleich von Bluetooth 2.0 und ZigBee zur Übertragung der gleichen Datenmenge
(gemessen mit einer identischen Sensorikeinheit)

Derzeit in Arbeit:
 Vergleich Bluetooth (normal) mit Bluetooth Low Energy (BLE)
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Medizinische Sensorsysteme
Energieversorgung – Diskussion


Je nach Anwendung (Medizin, Leistungsdiagnostik, Sport, Freizeit) sind u.a. von Bedeutung:
 Zuverlässige Datenübertragung
 Menge der zu Übertragenden Informationen
 gesicherte Laufzeit
Klassischerweise Einsatz von wiederaufladbaren, leistungsfähigen Akkus (Lithium-Polymer)

Sensorik und Energy Harvesting
 Welche klassischen Sensorikanwendungen lassen sich teilweise / komplett mit Energy
Harvesting betreiben?
 z.B.: reicht die Energie für Datenerfassung, Signalerfassung und Übertragung?

Energy Harvesting und Sensorik
 Welche Anwendungen lassen sich mit Energy Harvestign und Sensorik umsetzen?
 z.B.: welche Daten können wie oft erfasst und übertragen werden?
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Medizinische Sensorsysteme
FitnessSHIRT-Technologie des Fraunhofer IIS



Mobile Vitaldatenerfassung mit textilintegrierter Sensorik
 1 Kanal-EKG
HR, RR-Intervalle, HRV
 1 Kanal-Atmung
Atemrate, Ein-Aus-Atmung
 3-Achs-Beschleunigungssensor
Aktivität, Schritte, Sturz
 Textile Elektroden und resistives Atmungsband als Messwertaufnehmer
Speicherung auf SD-Karte
Bluetooth-Datenübertragung (komplette Rohdaten oder vorverarbeitete Kenngrößen)
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Medizinische Sensorsysteme
Vermarktungspartner ambiotex GmbH



Überführung der FitnessSHIRT-Technologie (Elektronik) in einen kundenspezifischen Prototypen
 Ultra Low Power Sensorik (EKG und Atmung <500 µA)
 Stromsparende BLE-Technologie (Bluetooth Low Energy)
 Hohe Detektionsrate der Algorithmen auch im mobilen Einsatz
Auftraggeber: ambiotex GmbH
Entwicklungspartner: itp GmbH, netzfrequenz GmbH, Uwe Schmidt Design
Weitere Informationen: www.ambiotex.com
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Medizinische Sensorsysteme
Zusammenfassung







Medizintechnische Sensorik findet sowohl Einsatz in medizinischen
Anwendungen wie auch in der Leistungsdiagnostik, Sport und Freizeit
Sensordaten liefern eine objektive Bewertungsgrundlage im Rahmen der
klassischen Regelschleife Messe – Vergleichen – Anpassen
Auf den Gesamtenergiebedarf einer mobil einsetzbaren Sensorikschaltung
haben viele Faktoren Einfluss, u.a. das Signalverarbeitungskonzept und die
Datenübertragungstechnologie
Die Energieversorgung durch Energy Harvesting hängt stark von den
Anforderungen des jeweiligen Anwendungsszenarios ab
Am Körper getragene Sensorik zur Erfassung physiologischer Messdaten
bietet durch textile Integration von Messwertaufnehmer einen hohen
Tragekomfort (z.B. FitnessSHIRT bzw. ambiotex)
schnelle und kostengünstige Prototypen-Entwicklung (diskret) als Proof-ofConcept, weitere Miniaturisierung durch ASIC-Entwicklung für Produkte
Angebote des Fraunhofer IIS: Auftragsentwicklung, Marktstudien,
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Forschungsvorhaben, Technologielizenzierung und Vermarktungskooperation
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Medizinische Sensorsysteme
Ende des Vortrags
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Gerne beantworte ich Ihre Fragen!
Dipl.-Ing. Christian Hofmann
Gruppenleiter Medizinische Sensorsysteme
Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS
Am Wolfsmantel 33
91058 Erlangen
09131 / 776-7340
[email protected]
www.iis.fraunhofer.de/med
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