Entwicklung von»personal Health«-System- Komponenten in der Fraunhofer-Allianz AAL

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1 Entwicklung von»personal Health«-System- Komponenten in der Fraunhofer-Allianz AAL Thomas Norgall Fraunhofer Allianz AAL Fraunhofer IIS, Erlangen Berlin, Fraunhofer IIS

2 Fraunhofer-Allianz Ambient Assisted Living Berlin, 9 September Fraunhofer AAL

3 Ziele der Fraunhofer-Allianz Ambient Assisted Living Durchgängige Lösungen für AAL und Personal Health aus einer Hand Gesundheitsbezogene»Personal Health«-Anwendungen haben mit AAL-Systemen für Komfort, Sicherheit, Energieeffizienz etc. viele Technologien, Komponenten und Infrastrukturen gemeinsam. Vom Kabel bis zur Anwendung Wir betrachten gleichermaßen Funktionalität und Kosten von AAL-Anwendungen und optimieren die zugrunde liegenden Technologien und Komponenten für Sensorik, Kommunikation und Datenverarbeitung. Berlin, 9 September 2010 Vom Sensor bis zum Assistenzsystem Um praktikable Lösungen für die Unterstützung von älteren, behinderten, kranken oder pflegebedürftigen Menschen zu realisieren, integrieren wir Komponenten zur Erfassung und Beurteilung von Vital- und Umgebungsparametern, nutzergerechte Schnittstellen und Expertensysteme. Von der Wohnung bis zum Dienstleister Die Institute der Allianz bieten für die gesamte Wertschöpfungskette vom privaten Nutzer bis zum professionellen Dienstleister komplette Systemlösungen, mit denen eine Vielzahl von Szenarien und Projekten umgesetzt werden. 3 Fraunhofer AAL

4 Integration of Local Functionality and Remote Services Berlin, 9 September Fraunhofer AAL

5 What we have at the moment a huge amount of single solutions Berlin, 9 September Fraunhofer AAL

6 today: the reality is Berlin, 9 September 2010 a lot of intelligent devices with a lot of functionalities and the amount is increasing 6 Source: Fraunhofer Philips.com AAL

7 tomorrow: Interoperability of invisible heterogeneous devices Berlin, 9 September Source: Fraunhofer Philips.com AAL

8 Über 200 Continua-Mitglieder arbeiten an Personal Health -Konzepten - die Fraunhofer-Allianz AAL ist eines davon Berlin, 04.November Fraunhofer IIS Continua Health Alliance

9 Continua Version One Device Connectivity Standards Pulse Oximeter Pulse /Bloodpressure Thermometer Weight Scale Glucose Meter Cardiovascular and Strength Fitness Monitor ISO/IEEE = Base Protocol ISO/IEEE = Pulse Oximeter ISO/IEEE = Pulse / Heart Rate ISO/IEEE = Blood Pressure ISO/IEEE = Thermometer ISO/IEEE = Weighing Scale ISO/IEEE = Glucose Personal Health System ISO/IEEE = Cardiovascular Fitness Monitor ISO/IEEE = Strength Fitness Equipment ISO/IEEE = Independent Living Activity ISO/IEEE = Medication Monitor Cell Phone PC Berlin, 9 September 2010 Independent Living Activity Medication Monitor Bluetooth Medical Device Profile Specification USB Personal Healthcare Device Class Specification Set Top Box Aggregator Continua Health Alliance 9 Fraunhofer AAL

10 Persönliche Telemonitoring-Systeme Fraunhofer Body Area Network (2001) miniaturisiertes Multi-Sensor-System BAN Low-Power-Funktechnik zentrale Basisstation am Körper DECT-Verbindung zu Home-Gateway Hannover, zahlreiche ähnliche Systeme, Pilotprojekte und Produkte: proprietäre Schnittstellen und systemspezifische (Dienstleistungs-)Infrastruktur trotz erwiesener Wirksamkeit für diverse Anwendungsbereiche bisher Insellösungen, kein flächendeckender Markt, Akzeptanz problematisch Fraunhofer IIS

11 EKG-Entwicklung Kabelloses 3-Kanal-EKG-Modul Hannover, Über Bluetooth oder ZigBee kabellos verbundenes EKG-Modul 3-Kanal-EKG mit Standard-Elektroden Elektronik, Funkmodul und Akku integriert in ein kleines Gehäuse; Steckverbindung für Elektroden Funkanbindung an handelsübliche Smartphones, PDAs oder PCs Komplette Integration in ein T-Shirt in Kombination mit Trockenelektroden Fraunhofer IIS

12 ECG-VITAL Multifunktionaler EKG Recorder mit Bewegungserkennung Ein Gerät mit 3 Betriebsarten Event Loop Holter Recorder ECG Fraunhofer IPMS

13 ECG-VITAL Einsatzfall Event EKG 3 Kanal EKG Sehr viele Events im Gerät speicherbar Drahtlose Übertragung wenn Gateway in Reichweite EKG-Ableitung mit integrierten Elektroden im Basisgerät Gute Trageeigenschaften Einfache Bedienung Fraunhofer IPMS

14 ECG-VITAL Einsatzfall Holter EKG 3 Kanal EKG Einsatz von freiplazierbare Elektroden Kontinuierliche Aufzeichnung über mehrere Tage Durch Tastendruck wird Ereignis im Datenstrom markiert Datenübertragung über USB Fraunhofer IPMS

15 ECG-VITAL Einsatzfall Loop EKG 3 Kanal EKG wird kontinuierlich gemessen Tastendruck speichert Episode (1 Minute davor und danach) Signalauswertung im Gerät Episode wird gespeichert bei erkannten kritischen Zuständen Automatische Bewegungserkennung Fraunhofer IPMS

16 Gateway PC mit Windows oder Linux Betriebssystem Sehr einfache Bedienung (kein Bildschirm, Tastatur, Maus) Übernimmt die Daten der Sensoren mittels Bluetooth Sendet die Daten weiter über UMTS,GPRS oder TCP/IP Speicherung und weitere Signalverarbeitung möglich Akustischer Rückkanal für Status und Arztinformationen Gateway Fraunhofer IPMS

17 Signalauswertung Online Signalauswertung Bereits realisiert sind: Tachykardien und Bradykardien Grenzwerte individuell durch den Arzt einstellbar Vorhofflimmern Kammerflimmern Ventrikuläre Extrasystolien Fraunhofer IPMS

18 Signalverarbeitung In Vorbereitung sind: P-Wellenerkennung, ST-Bewertung (Hebung, Senkung, Formanalyse) Umfangreiche HRV-Analyse Bei Merkmalserkennung wird Datensatz markiert und ein einstellbarer Bereich des EKG davor und danach über das Gateway übertragen Fraunhofer IPMS

19 Signalauswertung Bewegungsanalyse zur Verbesserung der EKG-Auswertung Unterdrückung von Artefakten während der Auswertung Protokollieren der Bewegungsabläufe Klassifikation der Sensorsignale durch antrainierte neuronale Netze Leichtes Einfügen weiterer Bewegungsmuster nach Anforderung Fraunhofer IPMS

20 Ergänzende Geräte Allen Geräten ist gemeinsam: Einfache Bedienung (ein Knopf) Drahtlose Datenübertragung via Bluetooth zum Gateway Übertragung erfolgt kurz nach der Messung Daten werden im Gerät gespeichert, wenn kein Gateway in der Nähe ist Eindeutige Zuordnung der Geräte für einen Patienten Weitere Geräte einbindbar Blutzucker EKG Bewegung Blutdruck Waage Fraunhofer IPMS

21 ActiSENS Aktivitätsmessung Berlin, 04.November 2010 Bewegungserfassung und Einteilung in 6 Klassen (inaktiv, Gehen, Laufen, Radfahren, Treppe hoch, Treppe runter) Zuordnung von 5 Aktivitätsstufen Berechnung von Aktivitätspunkten pro Minute Datenübertragung über Bluetooth Einfache Handhabung des Sensors Abmessung: 80 mm x 96 mm x 32 mm Fraunhofer IIS

22 MotionSENS Kabellose Sturzdetektion und Bewegungsanalyse Berlin, 04.November 2010 Über ZigBee kabellos verbundener Sensor zur Erfassung von Bewegungen Beschleunigungsmessung in drei Richtungen Erkennung verschiedener Körperhaltungen wie stehend, gebeugt, auf dem Bauch, Rücken oder der Seite liegend Sturzdetektion Individuell konfigurierbar Funkübertragung an Smartphones, PCs oder PDAs Fraunhofer IIS

23 Sensor-Netzwerk Bewegungsanalyse Berlin, 04.November 2010 Netzwerk von 12 Beschleunigungssensoren Feststellung von Art und Intensität der Bewegung Messung der Höhe Anwendungsbereiche: Abschätzung der Belastbarkeit Energieverbrauch Herzkrankheiten Fraunhofer IIS

24 RespiSENS Modul zur Messung der Atmung Über Bluetooth oder ZigBee kabellos verbundener Sensor zur Messung von Atemfrequenz und -anstrengung 2 Kanäle zur Messung an Abdomen, Thorax Robuste Messtechnik mit Erkennung von Bewegungsartefakten Berlin, 04.November Time [s] Fraunhofer IIS

25 RespiSHIRT Atmungsüberwachung Berlin, 04.November 2010 Atmungsanstrengung gemessen an Bauch und Brust Messtechnik integriert in T-Shirts oder Babystrampler Funkübertragung der Messungen an Smartphones, PDAs oder PCs Einsatzgebiete: Schlafdiagnostik, Fernbetreuung von Patienten (Telecare/Homecare), Versorgung von Neugeborenen und Frühgeborenen, Sport Fraunhofer IIS

26 Fitnessbegleiter Persönlicher digitaler Fitnesstrainer Komponenten: Sensoranzug zur Bewegungserfassung T-Shirt zur Atemmessung PDA als Benutzerinterface Berlin, 04.November 2010 Funktionsweise: Bewegungssensoren erfassen ausgeführte Bewegungen PDA wertet die Daten aus und gibt dem Nutzer unmittelbar Rückmeldung Einbindung in eine telemedizinische Infrastruktur Fraunhofer IIS

27 FitnessSHIRT Vitaldatenmonitoring für Sportler und Einsatzkräfte Kontinuierliche Vitaldatenerfassung: 1-Kanal-EKG mit Berechnung der Herzrate Atembewegung des Brustkorbs und Berechnung der Atemfrequenz Berlin, 04.November 2010 Einsatzgebiete: Messung der körperlichen Anstrengung von Sportlern Telemonitoring von Einsatzkräften (Feuerwehr, Katastrophenschutz) Fraunhofer IIS

28 FitnessSHIRT Vitaldatenmonitoring für Sportler und Einsatzkräfte Berlin, 04.November 2010 Funktionsweise: Nutzung textiler Elektroden zur Erfassung des EKGs Messung der Atembewegung mit einem flexiblen Band im unteren Bereich des Brustkorbs Wahlweise Übertragung der Messwerte per Bluetooth zur sofortigen Auswertung oder Zwischenspeicherung auf Speicherkarte Fraunhofer IIS

29 SomnoSENS Home-Schlaf-Monitoring Berlin, 04.November 2010 Feststellung von Schlafapnoen direkt im Schlafzimmer des Patienten Einfache Benutzeroberfläche für mehr Benutzerfreundlichkeit Überwachte Vitalparameter: EKG, Atmung an Abdomen und Thorax, Atemfluss, SpO2, Pulswelle und Bewegung Funk-Übertragung von der Sensorbox (SomnoSENS) zur Basisstation im Haus (PC, Laptop) Automatischer Wechsel in Speichermodus mit einer Kapazität von 24 h Datenspeicherung Fraunhofer IIS

30 SomnoSENS Schlafanalyse Aktuelle Vitalparameter Anamnese Detektionsrate von Schlafapnoen: Alle Parameter: 80 90% Ohne Atemfluss: 68 75% Berlin, 04.November Fraunhofer IIS

31 OxiSENS Kabelloses Pulsoximeter-Modul Über Bluetooth oder ZigBee kabellos verbundenes SpO2-Modul Übertragung von Puls, Sauerstoffsättigung des Bluts und Pulswelle (Plethysmogramm) Für alle gängigen Sensoren geeignet (Fingerclip, Ohrclip, Pflaster) Warnmeldungen (kein Finger, niedriger Batteriestatus, keine Funkverbindung, ) Berlin, 04.November Fraunhofer IIS

32 Miniaturisierung als»enabler«beispiel: Pulsoxymeter Kleine Bauform: Display, Batterie, Sensor, Gehäuse CiS Miniaturisierter Sensor für Reflektiv-Verfahren Integration in einen Ohrstöpsel mit ZigBee- Anbindung Work presented from departments MAF, SIIT, SDI Images from other partners are with respective references 32

33 Textile Elektroden Textile Substrate Textil-Integrierte Elektronik Miniaturisierte drahtlose Technik Inclu ding data stora ge optio n BT, ZB, WiFi, 3G, GSM Sensorik mit BAN Funktionalität Work presented from departments MAF, SIIT, SDI Images from other partners are with respective references 33

34 Textile Technologien Integration von Funktionalen Komponenten ECG Respiration and Movement Movement Work presented from departments MAF, SIIT, SDI Images from other partners are with respective references 34

35 Herzschrittmacher -miniaturisierte Bauform -Sensorik -Telemetrie Cochlea-Implantat -Weitere Miniaturisierung durch Nacktchipintegration -Moderne IC s mit 64 Kanälen Cranium Telemetrics Transcraniale Hirndruckmessung -Siliziumsensorik -Mikrospule -Mikroverbindungstechnik -Energieversorung und Telemetrie mittels externem Lesegerät Retinal-Implantat (IMI) -Ultradünnes PI Substrat -Nacktchipmontage -Telemetriespule zur Energieversorgung Work presented from departments MAF, SIIT, SDI Images from other partners are with respective references 35

36 Neuronalstecker V2 Minaturisierung mit Telemetriechip Mikrospule Verdeckelung Externe Energeiversorung und Telemetrie Deep Brain Stimulation (Medtronic) -Mikroelektroden -Miniaturisierte Elektronik -Telemetrie -Physiologische Sensorik* -Eventdetekion* Work presented from departments MAF, SIIT, SDI Images from other partners are with respective references 36

37 Implantable Telemetry Device Data Transmission through the skin Glass cap with integrated lens Soldered on LTCC substrate Generic interface to sensor/sensor array Biocompatible coating with SiC+Parylene, creating a transcutaneous data interface with 2,5mm x 15mmO dimensions Work presented from departments MAF, SIIT, SDI Images from other partners are with respective references 37

38 Functional Eye Prosthesis Micro-Electronics and Micro-Mechatronics Moving eye with integrated camera Collaborative approach with Moran Eye Center and Huntsman Cancer Institute Bildquelle: E. Fernandez, Univ. Alicante EC funded Cortivis Project A: outer shell B: cosmetic insert, depitcted with lens C: Actuation mechanism, depicted with electrostatic plates E: Wireless Camera Unit D: Control Electronics F: Energy Supply i) converter ii) rechargeable battery iii) inductive power link Work presented from departments MAF, SIIT, SDI Images from other partners are with respective references 38

39 Danke für Ihre Aufmerksamkeit Nürnberg, Thomas Norgall Fraunhofer-Allianz Ambient Assisted Living AAL / Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS / BMT Am Wolfsmantel 33 D Erlangen nor@iis.fraunhofer.de Fraunhofer IIS