Wearable-Ultraschall „Wir brauchen mehr als eine weitere Hardwareplattform“

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Tragbare Ultraschallsysteme können physiologische Vorgänge in tieferliegenden Gewebestrukturen erfassen. Die Anforderungen reichen von einfachen A-Mode-Messungen bis zur kontinuierlichen Ultraschallbildgebung. Eine einheitliche Systemarchitektur kann verschiedene Anforderungen nicht abdecken.

Ultraschall-Wearables ermöglichen Messungen, die mit vielen etablierten Wearables nicht oder nur eingeschränkt möglich sind. Während beispielsweise EKG, EMG oder optische Sensoren überwiegend Signale an oder nahe der Körperoberfläche erfassen, kann Ultraschall auch Informationen aus tieferliegenden Gewebestrukturen liefern. Untersucht werden unter anderem die kontinuierliche Erfassung von Herz- und Gefäßbewegungen, Blutdruck und Blutfluss, Muskelaktivität sowie Bewegungen des Bewegungsapparats. Weitere mögliche Einsatzfelder liegen in der Rehabilitation und der Mensch-Maschine-Interaktion.

Die technische Basis dafür ist in Teilen bereits vorhanden. Nach Einschätzung von Prof. Christian Kupsch, Professor für Mess-, Sensor- und Eingebettete Systeme an der TU Bergakademie Freiberg, gibt es inzwischen verschiedene Forschungsplattformen für Wearable-Ultraschall. Viele davon sind vor allem für die Aufnahme von A-Mode-Signalen ausgelegt. Dabei wird ein eindimensionales Ultraschallsignal mit einem einzelnen oder wenigen Wandlern erfasst. Solche Systeme mit geringer Kanalzahl lassen sich vergleichsweise stark auf eine konkrete Messaufgabe zuschneiden. Dadurch können sie kompakt aufgebaut sein und mit geringer Leistungsaufnahme arbeiten. Einige dieser Ansätze werden laut Kupsch bereits in Richtung konkreter Produkte und Anwendungen weiterentwickelt.

Vollständig tragbare Systeme mit vielen Kanälen

Deutlich anspruchsvoller ist die Entwicklung vollständig tragbarer Systeme mit vielen Kanälen. Sie werden beispielsweise benötigt, wenn nicht nur einzelne Signalverläufe, sondern Ultraschallbilder erzeugt werden sollen. Mit der Kanalzahl steigen die Anforderungen an die Sende- und Empfangselektronik, die Datenverarbeitung, die Energieversorgung und die drahtlose Kommunikation. Solche Systeme seien deshalb noch deutlich weiter von einer breiten kommerziellen Anwendung entfernt, erklärt Kupsch.

Kupsch leitet an der TU Bergakademie Freiberg das MSE Lab und beschäftigt sich unter anderem mit intelligenten und energieeffizienten Sensorsystemen, Embedded Systems sowie akustischer Bildgebung. An seiner Professur arbeitet er auch an einer Plattform für Wearable-Ultraschall. Konkrete technische Details dazu sollen voraussichtlich Ende 2026 oder Anfang 2027 im Rahmen einer wissenschaftlichen Veröffentlichung vorgestellt werden.

Kein einheitliches Anforderungsprofil

Die verfügbaren Plattformen unterscheiden sich teilweise grundlegend in ihrer technischen Auslegung. Einige sind auf eine bestimmte Anwendung optimiert und können dadurch einen niedrigen Energieverbrauch oder eine geringe Baugröße erreichen. Andere verfolgen einen generischeren Ansatz, benötigen dafür aber mehr Rechenleistung, Energie und Bauraum. Ein Vergleich anhand einzelner Kennwerte ist deshalb nur eingeschränkt möglich. Ein Wearable, das mit einem einzelnen Wandler über längere Zeit eine physiologische Größe überwacht, stellt andere Anforderungen als ein System, das kontinuierlich Ultraschallbilder erzeugt. Kanalzahl, Datenrate, Rechenleistung, Messqualität, Betriebsdauer und Baugröße lassen sich nicht unabhängig vom jeweiligen Anwendungsfall bewerten.

„Es gibt aktuell nicht das eine technische Anforderungsprofil für Wearable Ultrasound“, sagt Kupsch. Welche Systemarchitektur sinnvoll sei, hänge stark von der jeweiligen Anwendung ab. Einen Überblick über bereits demonstrierte Anwendungen und Plattformen gibt eine Special Interest Group on Wearable Ultrasound. Die Initiative soll Entwicklungen in dem noch jungen Forschungsfeld sichtbarer machen und besser koordinieren.

Entwicklungsplattformen sollen Iterationen verkürzen

Aus Sicht der Forschenden sollte die bestehende Landschaft künftig durch generische und rekonfigurierbare Plattformen ergänzt werden. Sie sollen es ermöglichen, unterschiedliche Ultraschallwandler, Messverfahren und Algorithmen zu untersuchen, ohne für jede neue Anwendung zunächst ein vollständiges System entwickeln zu müssen. Der Bedarf ergibt sich aus einem grundsätzlichen Entwicklungsproblem: Um eine neue Anwendung unter realistischen Bedingungen zu testen, wird zunächst ein passendes Wearable-Ultraschallsystem benötigt. Dessen Architektur lässt sich jedoch erst dann sinnvoll festlegen, wenn bekannt ist, welche Anforderungen die Anwendung an Datenqualität, Messrate, Energieverbrauch und Tragedauer stellt. Diese Anforderungen werden häufig erst während der praktischen Untersuchung sichtbar.

Damit entstehen mehrere Entwicklungsiterationen. Für Forschungseinrichtungen bedeutet das zusätzlichen Zeit- und Ressourcenbedarf. Gleichzeitig steigt das technologische und wirtschaftliche Risiko, weil vor Beginn der Anwendungserprobung viele Systemparameter noch nicht feststehen. Eine flexible Plattform könnte diesen Prozess vereinfachen. Sie sollte nach Vorstellung von Kupsch eine digitale Steuerungs- und Verarbeitungseinheit bereitstellen, die unterschiedliche Messkonfigurationen unterstützt. Dazu gehören ein möglichst breiter Bereich bei Kanalzahl, Anregung und Abtastrate sowie Schnittstellen zu unterschiedlichen analogen Frontends und Ultraschallwandlern.

Auch die Signalverarbeitung muss anpassbar sein. Die Forscher sollten zunächst Rohdaten aufnehmen und eigene Algorithmen entwickeln können. Anschließend ließe sich untersuchen, welche Verarbeitungsschritte direkt auf dem Wearable ausgeführt werden können. Neben klassischer digitaler Signalverarbeitung sollten dabei auch KI-gestützte Verfahren auf Embedded-Systemen unterstützt werden. Die Möglichkeit, Rohdaten lokal und dauerhaft zu speichern, ist für die Entwicklung und Validierung ebenfalls wichtig. Zur Plattform gehören nach dieser Vorstellung außerdem eine drahtlose Kommunikationsschnittstelle, austauschbare Wandler und geeignete analoge Frontends. Die Hardware muss unter realistischen Bedingungen am Körper einsetzbar sein. Dazu zählen nicht nur Baugröße und Energieversorgung, sondern auch eine zuverlässige akustische Ankopplung an die Haut.

Hardware allein reicht nicht

Der Plattformgedanke geht damit über eine modulare Elektronik hinaus. Damit die Einstiegsschwelle tatsächlich sinkt, braucht es auch eine zugängliche Software- und Entwicklungsumgebung, dokumentierte Schnittstellen und reproduzierbare Arbeitsabläufe. Je nach Kenntnisstand sollten Anwender auf unterschiedlichen Abstraktionsebenen arbeiten können. Das reicht von der Aufnahme unverarbeiteter Ultraschalldaten bis zur Implementierung eigener Signalverarbeitung oder KI auf dem Wearable. An einer solchen Plattform arbeitet auch die Gruppe um Kupsch. Konkrete technische Details sollen voraussichtlich Ende 2026 oder Anfang 2027 im Rahmen einer wissenschaftlichen Veröffentlichung vorgestellt werden.

Ob ein technisch funktionierendes Wearable später auch als Medizinprodukt eingesetzt werden kann, hängt allerdings von weiteren Faktoren ab. Neben der Ultraschalltechnik spielen Zulassung, Hautverträglichkeit, Bewegungsartefakte und eine über längere Zeit stabile akustische Kopplung eine Rolle. Hinzu kommen klinische Studien, die Integration in bestehende Arbeitsabläufe und der Nachweis eines medizinischen oder wirtschaftlichen Nutzens. Ein Wearable-Ultraschallsystem ist daher noch kein fertiges Medizinprodukt. Aus Sicht von Kupsch muss auch der spätere Einsatzpfad entwickelt werden. Dazu gehören unter anderem die Frage, ob das System medizinisches Personal tatsächlich entlastet, und die Finanzierung beziehungsweise Kostenerstattung.

Der nächste Schritt besteht nach dieser Einschätzung deshalb nicht allein in einer weiteren Hardwareplattform. Entscheidend sei eine gemeinsam nutzbare Forschungsinfrastruktur mit offenen Schnittstellen, auf der verschiedene Gruppen Wandler, Algorithmen und Anwendungen entwickeln und miteinander vergleichen können. Dafür seien neben Investitionen in Komponenten auch Open-Source-Projekte und langfristig verfügbare Forschungsplattformen notwendig. (heh)

Wearable in der Medizin

Bei Ultraschall-Wearables fehlen geeignete Entwicklungsplattformen

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