Dehnbar und kabellos EKG per Pflaster: Das Herz diagnostisch überwachen

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Ein spezielles Pflaster aus thermoplastischen Polyurethan sowie Sensoren und Elektronik soll nicht nur für einen höheren Tragekomfort sorgen, sondern vor allem präzise EKG-Daten gewinnen. Das kabellose Pflaster für den Alltag soll die Zahl stationärer Untersuchungen senken.

Eine der gebräuchlichsten Methoden zur Untersuchung der elektrischen Aktivität des Herzens ist das EKG. Die Elektrokardiographie zeichnet vor allem auf, wie oft das Herz pro Minute schlägt (Herzfrequenz) und wie regelmäßig es schlägt (Herzrhythmus). In der Medizin unterscheidet man drei Untersuchungsarten: das Ruhe-EKG, das Belastungs-EKG und das Langzeit-EKG.

Ein EKG kann heute bereits mit kleinen elektronischen Geräten gemessen werden. Um die Gesundheit des Herzens zu analysieren, helfen im Alltag oft sogenannte Smartwatches. Sie messen Puls, Schrittzahl, Schlafqualität und Herzrhythmus. Jetzt haben Forscher in einem von der EU geförderten Projekt einen Demonstrator entwickelt, mit dem sich weitaus komplexere Gesundheitsdaten ergänzen lassen.

Demonstrator so dünn wie ein Pflaster

Der entstandene Demonstrator ist so dünn wie ein gewöhnliches Pflaster. In seinem Inneren verbergen sich Sensoren und winzige Elektronik für die Langzeitüberwachung des Herzens. Einmal aufgeklebt, ermöglicht das Plug-and-Play-Pflaster die kardiologische Überwachung von Patienten. Konkret können Vitaldaten wie die Sauerstoffsättigung im Blut, die Bewegung des Brustkorbs sowie die Bioimpedanz gemessen und zur Kontrolle durch das Klinikpersonal direkt an eine App übertragen werden.

Im Fokus der Forscher am Fraunhofer IZM standen die System- und Schaltungsentwicklung, die Aufbau- und Verbindungstechnik sowie die Integration eines dicht gepackten Schaltungsträgers in das Pflaster.

Trägerfolie aus TPU

Als Trägerfolie für das Pflaster wurde thermoplastisches Polyurethan (TPU) verwendet, das aufgrund seiner Flexibilität und Dehnbarkeit einen hohen Tragekomfort am Körper ermöglicht. Darüber hinaus lässt sich das Material kostengünstig mit gängigen Leiterplattentechnologien verarbeiten, beispielsweise durch Bestückung mit Pick-and-Place-Maschinen. Dieser Vorteil wurde durch die Integration der elektrischen Funktionalität in ein duales System-in-Package-Design (SiP) genutzt, das direkt auf die flexible Leiterplatte montiert wurde.

Würth Elektronik Circuit Board Technology begleitete das Design der Leiterplatten und stellte die notwendigen Substrate her. Dazu wurden mit dem Projektpartner O-SYPKA neuartige ultra- und starrflexible Aufbauvarianten konzipiert und die Leiterplatten auf Basis der hautfreundlichen Substrate hergestellt.

Entwicklung medizinischer Patches

Im Projekt konnte auch gezeigt werden, dass eine robuste Verkapselung von dünnen Schaltungsträgern, die mit Bauteilen unterschiedlicher Höhe bestückt sind, auf TPU möglich ist. Der hohe Miniaturisierungsgrad und die hohe Integrationsdichte führten letztendlich zu einem sehr diskreten Formfaktor, während die dehnbare Leiterplatte ein sehr flexibles und biokompatibles Substrat darstellt.

Der Druck der Elektroden direkt auf die flexible Leiterplatte sowie die Integration der gesamten Elektronik in ein textiles Substrat haben die Entwicklung medizinischer Patches zur Überwachung von Körperfunktionen entscheidend vorangebracht.

Christine Kallmayer, Projektleiterin am Fraunhofer IZM, zeigt sich mit den Ergebnissen sehr zufrieden: „Vor wenigen Jahren war ein solches elektronisches Pflaster zur Herzüberwachung noch undenkbar. Erst durch die Weiterentwicklung der Integrationstechnologien ist es nun möglich, die Medizintechnik so zu miniaturisieren, dass sie statt als starres Gerät als biokompatibles und dehnbares Pflaster eingesetzt werden kann.“

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