Schwache Signale, starke Störungen Ein optischer Sensor erfasst Vitalparameter kontaktlos

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Bei der kontaktlosen Erfassung von Herzfrequenz oder Sauerstoffsättigung kam es oft zu Problemen durch Bewegungsartefakte. Auch eine schlechte Beleuchtung stellte bisher ein Problem dar. Fraunhofer-Forscher haben nun einen kompakten Sensor mit neuem optischem Design und neun Spektralkanälen auf einem monolithischen Array entwickelt. Dieser löst die genannten Probleme.

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena haben einen kompakten Sensor zur berührungslosen Erfassung von Vitalparametern entwickelt, der robuster gegen Störeinflüsse sein soll als bisherige kamerabasierte Verfahren. Das System mit dem Namen „goVISCAN“ misst Herzrate, Atemfrequenz und Sauerstoffsättigung (SpO₂) rein optisch und kommt ohne Elektroden oder am Körper getragene Sensorik aus.

Die technische Herausforderung bei der optischen Fernmessung von Vitaldaten (Remote Photoplethysmography, rPPG) liegt in der geringen Signalstärke. Die durch den Blutfluss verursachten Helligkeitsschwankungen der Haut sind minimal und werden leicht durch Bewegungen der Person oder wechselndes Umgebungslicht überlagert.

Hinzu kommen die besonderen Anforderungen an kontaktlose optische Messverfahren. Die physiologischen Signale sind vergleichsweise schwach und können durch die Umgebungsbedingungen oder Bewegungen der zu vermessenden Person überlagert werden. „Viele bestehende kamerabasierte Verfahren funktionieren nur unter idealen Bedingungen“, erläutert Martin Hubold, Wissenschaftler am Fraunhofer IOF. „Sobald die Messszene nicht optimal ausgeleuchtet ist oder die zu vermessende Person sich bewegt, werden die ohnehin schwachen physiologischen Signale schnell von Störeinflüssen überlagert.“

Neun Kanäle auf einem Glasbaustein

Um die Signale unter realistischen Bedingungen zu erfassen und zu stabilisieren, setzen die Entwickler des Fraunhofer IOF auf einen multispektralen Ansatz mit einem hochintegrierten optischen Kern. Das Herzstück ist ein monolithisches Mikrolinsenarray. Dabei sind neun einzelne Mikrolinsen aus einem einzigen Stück Glas gefertigt.

Jede dieser neun Linsen dient als eigenständiges Objektiv mit einer Blende von f/4 und ist für einen spezifischen Wellenlängenbereich optimiert. Das reicht vom sichtbaren blauen Licht bis in das nahe Infrarot (NIR). Jede Linse bildet die Szene mit einer Auflösung von 1,25 Megapixeln auf einen eigenen Teilbereich eines gemeinsamen Bildsensors ab. Die parallele Auswertung dieser neun Spektralkanäle ermöglicht es laut Fraunhofer IOF, die physiologischen Signale zuverlässiger von Störungen zu trennen.

Spezifikationen und erste Validierung

Das Sensormodul misst 10 cm x 7,5 cm x 2,5 cm. Es deckt einen Blickwinkel von 40 Grad ab und ist für Arbeitsabstände zwischen 70 cm und 1,3 m ausgelegt. In einer Vorstudie unter Laborbedingungen mit zwölf Probanden evaluierte das Institut die Genauigkeit gegenüber Referenzsystemen (u.a. Fingerpulsoximeter). Die mittleren Abweichungen lagen laut Fraunhofer IOF bei:

• Atemfrequenz: 1,3 Atemzüge pro Minute

• Herzrate: 2,8 Schläge pro Minute

• Sauerstoffsättigung: 3,8 Prozentpunkte

Als Zielanwendungen nennen die Entwickler das Patientenmonitoring in Klinik und Telemedizin, die Fahrerüberwachung im Automobil sowie Arbeitssicherheitsanwendungen an Leitständen. Der Sensor entstand im Rahmen des inzwischen abgeschlossenen Forschungsbündnisses „Advanced Multimodal Imaging“ (AMI). (heh)

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