Life Science Monitoring mit optischen Mikrosystemen. Olaf Brodersen, Hans-Georg-Ortlepp, Thomas Ortlepp

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1 Life Science Monitoring mit optischen Mikrosystemen Olaf Brodersen, Hans-Georg-Ortlepp, Thomas Ortlepp

2 Life Science Monitoring 1. Photoplethysmography 2. MORES Technologie-Plattform 3. Im-Ohr-System 4. Zusammenfassung 2

3 Gewebe Photoplethysmography Transmission Lichtquelle Fotodetektor 3

4 Gewebe Photoplethysmography klassische Pulsoxymeter Transmission Lichtquelle Fotodetektor 4

5 Gewebe Photoplethysmography klassische Pulsoxymeter Transmission Fotodetektor Lichtquelle Pulsrate Perfusion des Gewebes Atemfrequenz Arteriensteifigkeit arterielle Sauerstoffsättigung Konzentration von Blutinhaltsstoffen Variationen im cardiac output 5

6 Gewebe Photoplethysmography klassische Pulsoxymeter Transmission Lichtquelle signifikante Temperaturabhängigkeit der Signalamplituden Abhängigkeit der Signalamplituden vom Anpressdruck Artefakte durch orthostatische Druckvariation Fotodetektor 6

7 Gewebe Photoplethysmography Reflexives Messverfahren Transmission Reflexion Lichtquelle Lichtquelle Fotodetektor(en) Fotodetektor 7

8 Photoplethysmography Life Science Monitoring 1.) Detektion des Gesundheitszustandes - Sinusrhythmus, Herzrhythmusstörungen, Vorhofflimmern 2.) Überwachung der Entwicklung des Gesundheitszustandes - Herzschlag nach Infarkten 3.) Aktivitätsprofil - Unterscheidung in Ruhe- und Aktivitätsphasen 4.) partiell: Überwachung der Wirkung von Medikamenten 5.) Schlafmedizin 8

9 MORES Technologie-Plattform 9

10 MORES Technologie-Plattform Simulierte Lichtwege Die VIP-Baugruppe Foturan Fenster Blende Fenster Flip-Chip Technologie Kontaktbereich Silizium - Chip 5,4 10

11 Im-Ohr-Sensorsystem klassische 2-Kanal-Messung Sequenzielle Ansteuerung von 2 LED, Sequenzen/s AD-Wandlung in 3 Zeitfenstern (24Bit) Timing diagram 60 8 i(led ir) 40 7 i(led red) LED current (ma) nm 760 nm TIA signal (V) u TIA out (V) "ir" interval "background" interval "red" interval time (ms) 0 11

12 Im-Ohr-Sensorsystem klassische 2-Kanal-Messung Einfluss des Designs auf die Signalform Spalt in Metallisierung 12

13 Im-Ohr-Sensorsystem klassische 2-Kanal-Messung typisches PPG-Signal, ungefiltert 13

14 Im-Ohr-Sensorsystem klassische 2-Kanal-Messung 14

15 Im-Ohr-Sensorsystem Auswertung 1. Pulsrate Bestimmung der Lage der Maxima Berechnung der Pulsrate 2. Sauerstoffsättigung SpO2 des arteriellen Blutes Prozentualer Anteil des sauerstoffreichen Hämoglobins am Gesamthämoglobin Klassische Auswertung C O2 Hb SaO 2 = C O2 Hb + C Hb Bestimmung Minima und Maxima beider Wellenlängen aber: Kalibrierung ist notwendig! 15

16 Im-Ohr-Sensorsystem Auswertung K1 kurz/lang K2 kurz/lang Max K1 Max K2 Puls R-Werte *100 SPO2 (%) 1 Pulsschlag SPO2 1 Puls

17 Im-Ohr-Sensorsystem Auswertung erste Entsättigungsstudie (Uni Lübeck / RWTh) Proband 1: Proband 2: 17

18 EKG [a.u.] Pulsoximeter [a.u.] Im-Ohr-Sensorsystem Beispiel zeitsynchrone Erfassung von Pulsoximeter- und EKG-Signalen count (10ms) EKG Pulsoximeter Verbindung von Pulsoximeter und EKG! 18

19 Projekt Pulswellensensoren Ziele: Erhebliche Verbesserung der Signalqualität der CiS-Im-Ohr- Sensorik, um Feinheiten der Pulswellenkontur aufzulösen Zeitsynchrone Erfassung eines Elektrokardiogramms Entwicklung von Analysealgorithmen für Pulswellenmerkmale Untersuchung der Eignung des Ohrs als Messort für Pulswellenanalyse Untersuchung der Eignung von Pulswellensignalen zur Messung von Herzratenvariabilität im direkten Vergleich zum EKG 19

20 Projekt Pulswellensensoren R-Zacke EKG und im Ohr gemessene Pulswelle Charakteristische Zeitpunkte der Pulswellenkontur Pulswelle 1.Ableitung 2.Ableitung EKG Charakteristische Zeitpunkte: 1 Eintreffen der Pulswelle in den Ohrgefäßen 2 erste reflektierte Welle 3 Ende der direkten Welle 4 Eintreffen der dichroten Welle Gegenwärtig wichtigstes Ergebnis, erreicht mit neuen Sensorchips, alternativen LED-Wellenlängen und neuen Otoplastiklösungen: Das Signal-zu-Stör-Verhältnis konnte soweit verbessert werden, dass bis zur zweiten Ableitung praktisch rauschfreie Wellen für die Analyse zur Verfügung stehen. 20

21 Life Science Monitoring Zusammenfassung Das Im-Ohr-System ist grundsätzlich geeignet, kardiovaskuläre Parameter zu ermitteln Das Konzept ermöglicht ein Monitoring, ggf. ein 24/7 Monitoring Die Weiterentwicklung der Sensorik ermöglicht eine Pulswellenanalyse unter Nutzung des Messortes Ohr 21

22 Im-Ohr-Sensorsystem Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 22