Überwachen Sie Ihre Gesundheit mit einem Ring am Finger

Der Markt für vernetzte medizinische Geräte boomt. Laut Bloomberg wird es zwischen 2021 und 2028 um den Faktor sechs wachsen und 296 Milliarden Dollar erreichen. Gleichzeitig sammeln diese Geräte immer zuverlässigere Daten und Programmierer entwickeln immer leistungsfähigere Algorithmen, um sie zu verarbeiten. Viele tragbare Geräte verwenden heute Photoplethysmogramm-Sensoren (PPG), die beispielsweise unter angeschlossenen Uhren platziert und durch das farbige LED-Licht, das sie aussenden, erkennbar sind, um Vitalfunktionen wie Herzfrequenz, Blutsauerstoffgehalt, Atemfrequenz und Blutdruck zu messen. Nach mehreren Jahren der Miniaturisierungsforschung haben EPFL-Ingenieure eine Technologie entwickelt, die alle auf Smartwatches verfügbaren Überwachungsfunktionen auf einen viermal kleineren Bereich konzentriert und alle Rekorde bricht.

Diese Innovationen bilden das Herzstück von Iris, dem intelligenten Ring, der von Senbiosys vermarktet wird – einem Unternehmen, das 2018 von zwei ehemaligen EPFL-Doktoranden gegründet wurde. Iris packt eine Vielzahl von Gesundheitsüberwachungssensoren in ein Schmuckstück, das ungefähr die Größe eines Eherings hat. Die Crowdfunding-Kampagne des Unternehmens geht bald zu Ende und hat bereits das Fünffache des ursprünglichen Ziels von 100’000 Franken eingenommen. Mit dem Erlös soll Iris vom Prototypenstadium in die Großserie überführt werden.

Die kleinsten PPG-Sensoren der Welt

Die in tragbaren medizinischen Geräten verwendeten PPG-Sensoren enthalten LED-Lichtquellen, die mit Fotodetektoren und einem elektronischen Lesesystem gekoppelt sind. Die Fotodetektoren erfassen das von den LEDs reflektierte Licht und speisen diese Informationen in Algorithmen ein, die dann die Vitalfunktionen des Trägers berechnen. Die PPG-Sensoren von Senbiosys messen nur vier Kubikmillimeter, was viermal kleiner ist als die von konkurrierenden Geräten auf dem Markt. Das größte Hindernis bei dieser Art der Miniaturisierung ist meist die zum Betrieb der LEDs benötigte Leistung. Ausgiebige Forschung am Labor für integrierte Schaltkreise der EPFL in Neuchâtel hat jedoch winzige Fotodetektoren hervorgebracht, die Signale genauso deutlich erfassen können wie bestehende – von einer Lichtquelle, die viel weniger intensiv ist. Diese Entdeckung hat in der gesamten Branche Wellen geschlagen. „Unser Durchbruch hat zu rund 60 Zeitschriftenartikeln in den Bereichen Mikroelektronik und optische Sensoren geführt“, sagt Antonino Caizzone, ein Mitbegründer von Senbiosys, der für seine Dissertation auf diesem Gebiet den Gilbert-Hausmann-Preis 2021 erhielt. „Es hat auch zu 11 Patenten geführt, darunter einige von der EPFL, und unsere Arbeit wurde rund 1.000 Mal zitiert.“

Dank der Erfindungen, die wir im MICS Lab gemacht haben, konnten wir die professionellen Sensoren, die in sperrigen Geräten wie Blutdruckmessgeräten und Pulsoximetern verwendet werden, miniaturisieren

Sechs Sensoren um einen einzigen Finger

Die Miniatur-Fotodetektoren von Senbiosys werden bereits in einer Reihe elektronischer Geräte eingesetzt, beispielsweise in Hörgeräten anderer Hersteller. Heute bestücken die Fotodetektoren einen intelligenten Ring mit einer Breite von 5 mm und einer Dicke von 2,5 mm. „Wir hatten das Gefühl, dass es Potenzial gibt, unsere Sensoren zu verwenden, um ein neues Produkt direkt für Verbraucher zu entwickeln“, sagt Caizzone. „Mehrere Zeitschriftenartikel, darunter einer, der 2019 in Frontiers in Physiology erschien, haben gezeigt, dass die Durchführung von Vitalzeichenmessungen am Handgelenk nicht ideal ist, da die Datenzuverlässigkeit durch die Größe und Form des Handgelenks beeinträchtigt werden kann. Besser sind Messwerte am Finger oder am Ohr. Ein weiterer Grund, warum wir uns entschieden haben, einen intelligenten Ring zu entwickeln, ist, dass Uhren manchmal unpraktisch sein können. Sie können zum Beispiel beim Schlafen unangenehm sein.“

Iris ist nicht der erste intelligente Ring zur Gesundheitsüberwachung, aber was ihn auszeichnet, ist sein ultrakompaktes Design und sein geringer Stromverbrauch: Iris sieht eher aus wie ein Schmuckstück als wie ein Gesundheitsprodukt. Der Ring kann in nur einer halben Stunde vollständig aufgeladen werden. Es enthält 18 LEDs und sechs Fotodetektoren, was eine verbesserte Genauigkeit im Vergleich zu bestehenden Produkten ermöglicht. Assim Boukhayma, ebenfalls ein Mitbegründer von Senbiosys, erklärt: „Dank der Erfindungen, die wir im Labor gemacht haben, konnten wir die professionellen Sensoren, die in sperrigen Geräten wie Blutdruckmessgeräten und Pulsoximetern verwendet werden, miniaturisieren.“ Da Iris sechs Fotodetektoren enthält, sammelt es genügend Daten, um Durchschnittswerte für jeden Parameter zu berechnen, was bei Smart Watches oder umständlicheren Smart Rings nicht der Fall ist. „Ein weiterer Vorteil der kleineren Größe von Iris ist, dass weniger Materialien für die Herstellung benötigt werden.

In Anbetracht der alternden Bevölkerung und der zunehmenden Prävalenz von Fettleibigkeit und Herzerkrankungen wird es immer wichtiger, Vitalfunktionen außerhalb eines Krankenhauses kontinuierlich messen zu können. Senbiosys führte am Freiburger Kantonsspital eine klinische Studie zu seiner Technologie durch und verglich die von seinen miniaturisierten Sensoren erfassten Herzfrequenzdaten mit denen, die von einem Arterienkatheter erfasst wurden. Die Studie ergab, dass die beiden Methoden vergleichbare Messwerte lieferten. „Unser Ziel ist es jedoch nicht, ein medizinisches Gerät für Ärzte zu entwickeln, sondern eine personalisierte Methode zur Verfolgung verschiedener Gesundheitsindikatoren bereitzustellen“, sagt Boukhayma. „Unser Augenmerk liegt auf Prävention. Wenn Benutzer signifikante Veränderungen ihrer Vitalfunktionen feststellen, kann dies sie dazu veranlassen, ihren Arzt zu kontaktieren.“ Die erste Version von Iris wird Messungen von Herzfrequenz, Schrittzahl, Blutsauerstoffgehalt, Schlafqualität, Stresslevel und verbrannte Kalorien. „Wir beabsichtigen, unsere Algorithmen und unsere Smartphone-App kontinuierlich zu verbessern, und werden Updates online verfügbar machen, sobald sie fertig sind“, sagt Boukhayma.

Vorläufige Marktstudie mit einem spezialisierten Unternehmen

Senbiosys hat seit der Gründung insgesamt 5 Millionen Franken Kapital eingesammelt und dieses Geld für die Entwicklung von Photodetektoren für industrielle Anwendungen eingesetzt. Aber im Jahr 2022 wollten die Mitbegründer das Potenzial für ein B2C-Produkt evaluieren. Sie führten eine Marktstudie durch, die zur Idee für Iris führte. Dank der bisher im Rahmen der Crowdfunding-Kampagne gesammelten über 500.000 Franken kann Senbiosys die Produktion vorantreiben und die Vorbestellungen der Crowdfunding-Teilnehmer erfüllen, die Ende 2023 ausgeliefert werden sollen. ll brauchen – hauptsächlich die Leiterplatten, Batterien und mechanischen Komponenten“, sagt Caizzone. „Dann werden wir unseren Montageprozess abschließen, um sicherzustellen, dass alle verschiedenen Komponenten korrekt integriert sind.“

Details zum Crowdfunding