Intelligenter Ring wacht über Ihre Gesundheit

Der Markt für vernetzte medizinische Geräte boomt. Laut Bloomberg wird er zwischen 2021 und 2028 um das Sechsfache wachsen und 296 Milliarden Dollar erreichen. Gleichzeitig sammeln diese Geräte immer zuverlässigere Daten, und die Programmierfachleute entwickeln immer leistungsfähigere Algorithmen zu deren Verarbeitung. Viele tragbare Geräte verwenden heute Photoplethysmogrammsensoren (PPG-Sensoren) – die z. B. unter angeschlossenen Uhren angebracht werden und durch das farbige LED-Licht, das sie aussenden, erkennbar sind – zur Messung von Vitaldaten wie Herzfrequenz, Sauerstoffgehalt des Blutes, Atemfrequenz und Blutdruck. Nach mehreren Jahren der Miniaturisierungsforschung haben EPFL-Ingenieurinnen und -Ingenieure eine Technologie entwickelt, die alle Überwachungsfunktionen von Smartwatches auf einer viermal kleineren Fläche konzentriert und damit alle Rekorde bricht. Diese Miniaturisierung – ein Durchbruch, der durch mehrere Patente abgesichert ist – bedeutet auch, dass viel weniger Energie benötigt wird und somit eine wesentlich kleinere Batterie die gleiche Lebensdauer liefern kann.

Diese Innovationen sind das Herzstück von Iris, dem intelligenten Ring, der von Senbiosys vermarktet wird – einem Unternehmen, das 2018 von zwei ehemaligen EPFL-Doktoranden gegründet wurde. Iris vereint eine Vielzahl von Sensoren zur Gesundheitsüberwachung in einem Schmuckstück, das etwa so gross ist wie ein Ehering. Die Crowdfunding-Kampagne des Unternehmens steht kurz vor dem Abschluss und hat bereits das Fünffache des ursprünglichen Ziels von 100 000 Franken eingebracht. Mit dem Erlös soll Iris vom Prototyp zur Serienreife gebracht werden.

Antonino Caizzone und Assim Boukhayma, Mitbegründer © 2023 Alain Herzog

Die kleinsten PPG-Sensoren der Welt

Die in tragbaren medizinischen Geräten verwendeten PPG-Sensoren enthalten LED-Lichtquellen, die mit Photodetektoren und einem elektronischen Lesesystem gekoppelt sind. Die Photodetektoren fangen das von den LEDs reflektierte Licht ein und speisen diese Informationen in Algorithmen ein, die dann die Vitalparameter des Trägers berechnen. Die PPG-Sensoren von Senbiosys messen nur vier Kubikmillimeter und sind damit viermal kleiner als die in konkurrierenden Geräten auf dem Markt befindlichen. Das grösste Hindernis bei dieser Art von Miniaturisierung ist normalerweise die für den Betrieb der LEDs benötigte Energie. Dank umfangreicher Forschungsarbeiten am EPFL-Labor für integrierte Schaltungen in Neuenburg konnten jedoch winzige Photodetektoren entwickelt werden, die mit einer viel weniger intensiven Lichtquelle genauso klare Signale empfangen können wie die bestehenden. Diese Entdeckung hat in der gesamten Branche für Aufsehen gesorgt: «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 Arbeit in diesem Bereich mit dem Gilbert-Hausmann-Preis 2021 ausgezeichnet wurde. «Er hat auch zu 11 Patenten geführt, von denen einige an der EPFL erworben wurden, und unsere Arbeit wurde rund 1000 Mal zitiert.»

Sechs Sensoren um einen einzelnen Finger

Die Miniatur-Photodetektoren von Senbiosys werden bereits in einer Reihe von elektronischen Geräten eingesetzt, wie z. B. in Hörgeräten, die von anderen Unternehmen hergestellt werden. Heute statten die Photodetektoren einen intelligenten Ring mit einer Breite von 5 mm und einer Dicke von 2,5 mm aus: «Wir sahen das Potenzial, unsere Sensoren zu nutzen, um ein neues Produkt direkt für die Verbraucherinnen und Verbraucher zu entwickeln», sagt Caizzone: «Mehrere Zeitschriftenartikel, darunter einer, der 2019 in Frontiers in Physiology erscheint, haben gezeigt, dass die Messung der Vitalparameter am Handgelenk nicht ideal ist, da die Zuverlässigkeit der Daten durch die Grösse und Form des Handgelenks beeinträchtigt werden kann. Besser sind Messungen am Finger oder am Ohr. Ein weiterer Grund, warum wir uns für die Entwicklung eines intelligenten Rings entschieden haben, ist die Tatsache, dass Uhren manchmal unpraktisch sein können. Sie können zum Beispiel beim Schlafen unangenehm sein.»

Iris ist nicht der erste intelligente Ring zur Gesundheitsüberwachung auf dem Markt, aber was ihn von anderen unterscheidet, ist sein ultrakompaktes Design und sein geringer Stromverbrauch: Iris sieht eher wie ein Schmuckstück aus als ein Gesundheitsprodukt. Der Ring kann in nur einer halben Stunde vollständig aufgeladen werden. Er enthält 18 LEDs und sechs Photodetektoren, die im Vergleich zu bestehenden Produkten eine höhere Genauigkeit ermöglichen. Assim Boukhayma, ebenfalls 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 genug Daten, um Durchschnittswerte für jeden Parameter zu berechnen, was bei intelligenten Uhren oder unhandlicheren intelligenten Ringen nicht der Fall ist. «Ein weiterer Vorteil der geringeren Grösse von Iris ist, dass weniger Materialien zur Herstellung benötigt werden, was bedeutet, dass wir es zu einem niedrigeren Preis verkaufen können», fügt Boukhayma hinzu.

Die kontinuierliche Messung von Vitaldaten ausserhalb eines Krankenhauses wird angesichts der alternden Bevölkerung und der zunehmenden Verbreitung von Fettleibigkeit und Herzkrankheiten immer wichtiger werden. Senbiosys hat seine Technologie im Kantonsspital Freiburg in einer klinischen Studie getestet, in der die von den miniaturisierten Sensoren erfassten Herzfrequenzdaten mit denen eines Arterienkatheters verglichen wurden. «Unser Ziel ist es jedoch nicht, ein medizinisches Gerät für Ärztinnen und Ärzte zu entwickeln, sondern ein personalisiertes System zur Überwachung verschiedener Gesundheitsindikatoren», erklärt Boukhayma. «Unser Ziel ist die Prävention. Wenn die Nutzenden signifikante Veränderungen ihrer Vitalparameter feststellen, können sie sich an ihre Ärztin wenden.» Die erste Version von Iris wird Messungen der Herzfrequenz, der Anzahl der Schritte, des Sauerstoffgehalts im Blut, der Schlafqualität, des Stresslevels und des Kalorienverbrauchs liefern. «Wir beabsichtigen, unsere Algorithmen und unsere Smartphone-App kontinuierlich zu verbessern und werden Updates online zur Verfügung stellen, sobald sie fertig sind», sagt Boukhayma.

Vorläufige Marktstudie mit einer spezialisierten Firma

Senbiosys hat seit seiner Gründung insgesamt 5 Millionen Franken Kapital eingeworben und diese Mittel für die Entwicklung von Photodetektoren für industrielle Anwendungen verwendet. Im Jahr 2022 wollten die Mitbegründer das Potenzial für ein B2C-Produkt evaluieren. Sie führten eine Marktstudie durch, aus der die Idee für Iris hervorging. Dank der über 500 000 Franken, die bisher in der Crowdfunding-Kampagne gesammelt wurden, kann Senbiosys die Produktion vorantreiben und die Vorbestellungen der Crowdfunding-Teilnehmenden erfüllen, die Ende 2023 ausgeliefert werden sollen. «Zuerst werden wir feststellen, wie viele Teile wir benötigen – vor allem die Leiterplatten, Batterien und mechanischen Komponenten», sagt Caizzone, «dann werden wir unseren Montageprozess abschliessen, um sicherzustellen, dass alle verschiedenen Komponenten korrekt integriert werden.»