Kooperationsforum mit Fachausstellung

Innovations in Microsystems

Lösungen für modernes Gesundheitsmonitoring
21. Mai 2014, Leonardo Royal Hotel, München

 

Bericht

Der Bericht ist in folgende Abschnitte gegliedert:

Medizintechnik bleibt Wachstumsmarkt

Aktuelle globale und gesellschaftliche Trends, wie der demographische Wandel und moderne Zivilisationskrankheiten, führen zu immer mehr chronisch kranken Menschen. Damit verbunden sind steigende Kosten für die medizinische Betreuung und Pflege.
Die Medizintechnik bietet bereits heute vielfältige Lösungsansätze für diese Herausforderungen im Gesundheitswesen durch neue diagnostische und therapeutische Assistenzsysteme für weiter optimierte Prävention, Diagnose, Therapie und Rehabilitation.

Unterstützt durch Forschung und Weiterentwicklungen in der Sensorik und Mikrosystemtechnik werden medizintechnische Assistenzsysteme in Zukunft noch schneller, intelligenter und einfacher zu bedienen. Hohe Zuwachsraten im Medizintechnik-Markt durch derartige technologische Innovationen motivieren viele Unternehmen, nachhaltige Lösungen für modernes Gesundheitsmonitoring zu entwickeln. Im Fokus stehen vor allem mobile, vernetzte Mikrosysteme zur Echtzeit-Überwachung von Bewegungs- und Vitalparametern sowie altersgerechte Assistenzsysteme für mehr Lebensqualität und Mobilität.

Wichtige Aspekte dieser aktuellen Entwicklungen adressierte die Bayern Innovativ im 9. Kooperationsforum „Innovations in Microsystems“ am 21. Mai 2014 mit rund 120 Teilnehmern und 11 Ausstellern. Die Ausrichtung erfolgte gemeinsam mit dem Fraunhofer EMFT und dem Forum MedTech Pharma e.V.

Innovative Sensoren und MEMS für modernes Gesundheitsmonitoring

Medizintechnische Assistenzsysteme stellen immer höhere Anforderungen an Sensoren und MEMS für die Überwachung von Vitalfunktionen, wie Puls, Atmung, Gewicht oder Blutwerten. Die Einhaltung spezifischer Sicherheits- und Qualitätsvorgaben nach internationalen Standards ist dabei nur eine entscheidende Voraussetzung für ein erfolgreiches Engagement in der Medizintechnik-Branche. Hinzu kommen vielfältige aktuelle technologische Herausforderungen. So setzen sich die Trends der Miniaturisierung bei gleichzeitiger Erhöhung der Komplexität und der Notwendigkeit extrem energiesparender Komponenten für mobile Anwendungen kontinuierlich fort. Erschwerend kommt hinzu, dass der Sensormarkt speziell im Bereich Medizintechnik sehr heterogen aufgestellt ist. Neben den kontinuierlichen Weiterentwicklungen von Sensoren für Großgeräte, wie Computertomographen, steigen die Marktanteile für Sensoren für Einmalanwendungen und in Lifestyle-Produkten, wie Prof. Christoph Kutter, Leiter des Fraunhofer EMFT, in seiner Keynote zum Auftakt des diesjährigen Forums erläuterte.

Schwerpunkte der Forschungsarbeiten sieht Kutter deshalb in der Technologie für chemische und biologische Sensoren. Eine verbesserte Erfassung, Auswertung und Übertragung von Biosignalen, kombiniert mit einer erhöhten Biokompatibilität der verwendeten Sensoren ermöglicht in Zukunft eine kontinuierliche Überwachung der Vitalparameter von Patienten nicht nur während einer stationären Behandlung, sondern auch in zunehmender Vielfalt für Anwendungen im häuslichen Umfeld.

Ähnliches gilt für chemische Sensoren, um multiple Gasmessungen in der Umgebung und in der Atemluft durchzuführen. Roland Pohle präsentierte die neuesten Forschungsergebnisse bei der Siemens Corporate Technology in diesen Bereichen. Durch neue Kombinationen verschiedener Technologien und Materialien konnten Sensortechnologien verbessert werden, um gesundheitskritische Situationen zu erfassen. Im Rahmen des Projektes „Smart Senior“ wurde nachgewiesen, dass mit Hilfe von Gassensoren in miniaturisierten, dezentralisierten Diagnostikinstrumenten, Senioren und chronisch erkrankte Patienten eine spürbare Erleichterung bei der Bewältigung des Alltages erfahren.

Weitere Optionen bietet die "Im-Ohr-Sensortechnologie", die für kardiovaskuläres Monitoring auf der Grundlage eines optoelektronischen Sender-Empfänger-Moduls entwickelt wurde. Dr. Olaf Brodersen, Geschäftsfeldleiter im applikationszentrum mikrooptische systeme (amos) am CiS Forschungsinstitut in Erfurt nannte medizinische Vorsorge, Rehabilitation, physiologisches Training oder Sport als mögliche Einsatzgebiete dieser Technologie. Mit ihr ist eine kontinuierliche Kontrolle von Vitalparametern wie Blutpulsation, Herzrate, Sauerstoffgehalt und Atemrate möglich. Die gewonnenen Daten können für medizinische Diagnosen, zur Therapieoptimierung wie auch zur Detektion kritischer Zustände genutzt werden. Die Vorteile der Im-Ohr-Messung liegen u.a. in der Vermeidung bewegungsbedingter Artefakte bei stabiler Stammtemperatur und geringer Tremoranfälligkeit. Kernstück ist ein VIP-Sensor, der mittels remittierten Lichtes die Photonen-Gewebe-Interaktion detektiert. Er ist eingebettet in eine von Hörgeräten her bekannte Otoplastik, die entweder probantenspezifisch oder universell gestaltet werden kann. Die Ansteuerung des Sensors und die Signalerfassung erfolgt über eine drahtlose Bluetooth-Verbindung zu einer am Körper getragenen Datenerfassungseinheit, die wiederum drahtlos mit einem Auswerterechner kommuniziert.

Zu den technischen Hürden, die für eine Massenfertigung vieler dieser Sensorentwicklungen noch überwunden werden müssen, zählen ein geringerer Energieverbrauch, bessere Nachweisgrenzen und eine höhere Stabilität im Betrieb. Wenn dies gelingt, wäre ein nächster Schritt getan, damit Sensoren nicht nur genauer messen, sondern auch noch intelligenter werden.

Der aktuelle Stand der Entwicklungen und der Kommerzialisierung von entsprechenden Systemen sowohl für Anwendungen im häuslichen Umfeld als auch für mobile Anwendungen in den Bereichen Sportmedizin und Fitness wurde in zwei separaten Vortragsreihen gezeigt.

Intelligente Assistenzsysteme für nachhaltige Lebens- und Wohnkonzepte

Im häuslichen Umfeld sollen Sensoren und MEMS in medizintechnischen Assistenzsystemen in immer vielfältigerer Weise zum Einsatz kommen, um Bewegungs- und Vitalfunktionen rund um die Uhr zu überwachen und bei Problemen sofort einen Arzt oder einen medizinischen Hilfsdienst zu alarmieren. Auch die automatische Erinnerung an die Einnahme von Medikamenten oder die telemedizinische Überwachung der täglichen Reha-Übungen, zum Beispiel nach einem Sturz oder einem Sportunfall, wäre für viele sehr hilfreich. Schnellere Testergebnisse vor Ort, innovative Therapien zuhause würden so die Arzt- bzw. Klinikbesuche und damit auch die Behandlungskosten reduzieren. Viele der Medizintechnik-Trends wie Ambient Assisted Living AAL, eHealth, Telemonitoring oder Home Care ermöglichen somit nachhaltige Lebens- und Wohnkonzepte durch mehr Selbständigkeit und Mobilität, insbesondere für ältere oder chronisch kranke Menschen.

Selbstverständlich sind dabei alle medizintechnischen Geräte und Funktionen einfach miteinander zu vernetzten und jede Aktion ganz einfach über ein Tablet oder Smartphone auszulösen bzw. zu überwachen.

Speziell für neue Anwendungsfelder im Bereich von AAL und der Telemedizin ist die NFC-Technologie (Near Field Communication) auf dem Weg zu einem elektronischen Kommunikationsstandard zwischen Assistenzsystemen und Tablet bzw. Smartphone. Gegenüber den bekannten drahtlosen Kommunikationsmöglichkeiten, wie WLAN oder Bluetooth, bietet die NFC einen besseren Datenschutz durch geringe Übertragungsdistanzen und bessere Energieeffizienz durch Energy Harvesting. NFC ist zudem voll kompatibel zum RFID-Standard ISO 14443. Während allerdings bei RFID (Radio Frequency Identification) die Kommunikation zwischen einem Lesegerät und einem passiven Transponder erfolgt, kommunizieren bei einer NFC-Übertragung zwei aktive Geräte miteinander. Laut Dr Manfred Bammer, Geschäftsfeldleiter Health & Environment Department, Biomedical Systems am AIT Austrian Institute of Technology wird die NFC-Technologie zukünftig verstärkt im Gesundheits- und Pflegebereich eingesetzt werden. Dabei soll Patienten sowohl eine möglichst lückenlose medizinische Überwachung als auch eine größtmögliche Mobilität ermöglicht werden. Als weitere Anwendungsbeispiele kommen im E-Health-Bereich unter anderem Patientenidentifikation, Übertragung von biologischen Patientendaten (Blutdruck, Blutzucker, etc.) oder das drahtlose Monitoring physiologischer Daten – etwa in der Sport- oder Intensivmedizin – in Frage.

Mit vernetzten Eingabemedien möchten immer mehr Menschen aber nicht nur medizintechnische Assistenzsysteme, sondern gleichzeitig das Audio-System, die Waschmaschine, die Heizung, die Beschattung oder die Alarmanlage zentral bedienen und steuern können. Ambient Assisted Living, eHealth, Telemonitoring und HomeCare werden deshalb seit vielen Jahren als Teil der großen Trends rund um Smart Home und vernetztes Wohnen propagiert. Smart Home bietet wie kaum ein anderer Markt, Unternehmen aus unterschiedlichsten Branchen viele Zukunftschancen für die Erschließung neuer Umsatzquellen, denn intelligente Sensoren und Mikrosysteme werden in diesem Markt nicht nur für modernes Gesundheitsmonitoring benötigt, sondern auch bei der Vernetzung von Haustechnik, Haushaltsgeräten und Infotainment-Anlagen.

Noch aber sind alle diese Bereiche getrennte Welten, denn es fehlen einheitliche Standards sowie Schnittstellen für die Interoperabilität von Protokollen, Diensten oder Bussystemen. Der Markt für Smart Home-Anwendungen konnte deshalb trotz vielfacher Anläufe noch keine sich selbst tragende Nachfrage für intelligente Wohnlösungen generieren, und das obwohl durch den demographischen Wandel und die Energiewende das Bedürfnis der Gesellschaft zur Nutzung dieser Technologien immer stärker wird. Allenfalls im Premium-Segment findet man am Markt etablierte Angebote.

Als größte Aufgabe für die erfolgreiche Umsetzung von Smart Home sehen Experten die Herausbildung eines erfolgreichen Eco-Systems. Dazu gehören neben der fehlenden Interoperabilität die Senkung der Anschaffungskosten und Akzeptanzbarrieren bei den Endverbrauchern. Darüber hinaus fehlt es an tragfähigen Geschäftsmodellen zur Finanzierung der Technologien und an der Ausgestaltung geeigneter Partnerschaften.

Exakt diese Aufgaben adressiert das Projekt smash (smart assisted secure home) und steht dabei erstmals für eine tragfähige Verknüpfung der Themen Smart Home und AAL, so Vanessa Kuhr vom Mitgliederservice der Nürnberger Initiative für die Kommunikationswirtschaft | NIK e.V. Das Netzwerk umfasst aktuell 13 Partner aus den Bereichen Wohnungswirtschaft, Hausautomatisierung, Energie- und Facility Management, IT-gestütztem Gesundheitsmonitoring und Forschung. Die Netzwerkpartner arbeiten aktuell zusammen an einer Technologischen Roadmap und haben bereits neue Projekte für Smart Home-Lösungen gestartet, um ein Eco-System aus relevanten Produkt- und Serviceanbietern aufzubauen.

Ein wichtiger Forschungspartner von smash ist das E|Home-Center – Bayerisches Technologiezentrum für privates Wohnen. Dort will man die Anforderungen an Lösungen für das Wohnen von morgen gezielt aus den Bedürfnissen der Menschen ableiten, denn Technik allein generiert noch keinen Markt, wie Dr. Gerhard Kleineidam, Geschäftsführer des E|Home-Centers betonte. Akzeptanz finden Geräte und Dienste für intelligentes Wohnen erst, wenn ein Mehrwert für den Bewohner erkennbar ist, der die Lebensqualität erhöht. Eine Schlüsselrolle spielt dabei die Plug-and-Play-Fähigkeit, die Zuverlässigkeit und die einfache Bedienung. Erste Erfahrungen in der Praxis konnten bereits durch eine Kooperation mit der Diakonie Neuendettelsau gesammelt werden. Konkret wurden mit Bewohnern des Wohnstifts Hallerwiese in Nürnberg bereits Technologien für AAL und Telemonitoring angewendet, ausgewertet und weiterentwickelt. Bei diesen Smart Home-Anwendungsszenarien zur „Gesundheit“ sind aber nicht nur technologische Kriterien wichtig, so Kleineidam, sondern auch soziale Aspekte, wie Gesundheitsökonomie und Ökologie.

Mobile Assistenzsysteme für persönliche Prävention und Fitness

Smarte und mobile medizintechnische Assistenzsysteme etablieren sich auch zunehmend im sogenannten „zweiten Gesundheitsmarkt“ und finden dort vielfach Anwendung in den Bereichen Sportmedizin und Fitness. Im Zusammenspiel mit Weiterentwicklungen in der Digitalisierung für die drahtlose Kommunikation via Smartphones und Tablets und der Datenspeicherung über Cloud Computing eröffnen sich zahlreiche neue, unkomplizierte Möglichkeiten, um dem gestiegenen Gesundheitsbewusstsein in weiten Teilen der Bevölkerung zu entsprechen.

Motivation ist für viele Menschen ein neues Verständnis für Gesundheit, weg von der Definition „Gesundheit sein bedeutet nicht krank zu sein“ hin zu einem verantwortungsvollen Umgang mit dem eigenen Körper. Dies beinhaltet eine gesunde Ernährung, ausreichend Schlaf und sportliche Aktivität, so Prof. Dr. Dr. Matthias Lochman, vom Institut für Sportwissenschaft und Sport der Universität Erlangen-Nürnberg.

Sensor- und MEMS-Entwicklungen für Anwendungen zur Bewegungs- und Vitaldatenanalyse im Sport- und Fitnessbereich zeichnen sich durch eine vollintegrierte Bauweise mit einfacher Bedienung aus und ebnen so den Weg für neue Produktpaletten in den Bereichen Wearable Electronics oder Smart Textiles. Anwender dieser Produkte tragen allein durch die tägliche Bewegung zur Verbesserung von Abläufen im Sport und in der Rehabilitation bei oder trainieren einfach sich selbst.

Innovative Produkte müssen neueste Forschungsergebnisse mit Marktfähigkeit und Intelligenz verbinden und gehen deshalb immer wieder als Preisträger internationaler Forschungswettbewerbe hervor. So auch das junge Start-up-Unternehmen Moticon aus München, mit einer alltagstauglichen Lösung für eine neuartige Sensorsohle, um Druckverteilungen, Beschleunigungen und Ganglinien zu messen. In der Sohle sind 13 weltweit einzigartige, kapazitive Drucksensoren auf Textilbasis sowie ein 3D- Beschleunigungs- und ein Temperatursensor zur Datenerfassung verarbeitet. Messwerte werden in einem integrierten Speicher aufgezeichnet oder über ein Funkmodul direkt weitergesendet. Damit befindet sich die komplette Technologie in der Sohle selbst – weder Kabel noch unhandliche Zusatzgeräte sind erforderlich. Anwendungsmöglichkeiten liegen in der Belastungsanalyse für die Rehabilitation nach einer Operation am Bein oder der Optimierung des Bewegungsablaufs eines Profisportlers. „Jeder kann damit die eigenen Bewegungen besser verstehen und den Spaß an der Bewegung selbst erleben“, so Dr. Maximilian Müller, Geschäftsführer der Moticon GmbH.

Mit dem Münchner Unternehmen Kinexon präsentierte ein weiteres Start-up ein innovatives, tragbares Mess- und Informationssystem, das Trainer, Mediziner und Athleten in ihrer täglichen Arbeit unterstützt und Sportlern dabei hilft, ihr volles Potenzial auf gesunde Weise auszuschöpfen. Ein in die Kleidung integrierter Sensor erfasst dabei seine aktuelle Position auf wenige Zentimeter genau überträgt jedes Detail seiner Bewegung und weitere Körperfunktionen, wie Puls oder Temperatur, drahtlos an eine mobile App auf einem Tablet PC oder einem Smartphone. Diese wertet die Sensormessergebnisse intelligent aus und bereitet alle wichtigen Informationen und Statistiken in Echtzeit auf. Über eine webbasierte Cloud-Anwendung können Trainer, Mediziner und Sportler selbst relevante Daten einsehen oder austauschen.

Vergleichbare, jedoch weitaus teurere, aufwändigere und zeitversetzte Systeme gibt es bislang nur im Profisport. Möglich gemacht werden das System und die präzisen Auswertungen durch eine hochgenaue Lokalisierungstechnologie, die Ihren Ursprung im Bereich der Raumfahrt hat. Während gewöhnliche GPS-Systeme eine Genauigkeit von lediglich fünf bis 15 Metern aufweisen, bietet die Kinexon CELL eine Genauigkeit von wenigen Zentimetern. Zudem erfasst Sie Positionen 20-mal pro Sekunde, um erstmals schnelle Bewegungen - die gerade im Sport für die Leistung und Belastung entscheidend sind - genau abzubilden.

Neben Sportmedizin und Fitness bietet diese Technologie zahlreiche weitere interessante Einsatzbereiche im Gesundheitswesen zur Überwachung und Rehabilitation von Patienten, wie der Managing Director von Kinexon, Oliver Trinchera an einigen Praxisbeispielen erläuterte. Mit dem Gewinn des Galileo Master Preis der European Satellite Navigation Competition (ESNC) zeigt diese Technologie beispielhaft, welches Potenzial für Anwendungen der eingesetzten Sensor- und MEMS-Technologie auch in anderen Branchen liegt - in der Luftfahrt- und Raumfahrt zur Steuerung unbemannter Flugobjekte, in Transport und Logistik zur Verfolgung und Steuerung von Güterbewegungen oder im Bereich Automotive für Fahrerassistenzsysteme.

Kooperationsplattformen fördern branchenübergreifende Netzwerke

Dieses branchenübergreifende Anwendungspotenzial der eigentlich für die Medizintechnik  entwickelten Sensoren und MEMS spiegelte sich auch in der Zusammensetzung der Teilnehmer am diesjährigen Forum zur Mikrosystemtechnik wider – mit Vertretern auch aus der Automobilbranche, der Logistik und der Luft- und Raumfahrt.

Die praxisnahen Einblicke in die Innovationsfelder der Medizintechnik initiierten zahlreiche Diskussionen unter den Referenten, Ausstellern und Teilnehmern, auch hinsichtlich der Anbahnung von branchenübergreifenden Kooperationen zwischen Experten aus der Elektronik, der Medizintechnik und potenziellen Anwendern.

Als Partner im „Haus der Forschung“ unterstützt Bayern Innovativ auch Firmen und Institute bei der Navigation zu Förderprogrammen auf Landes-, Bundes- und EU-Ebene. So war erneut der VDI/VDE Innovation+Technik GmbH in Person von Dr. Bernhard Ruf in das Vortragsprogramm mit eingebunden und informierte über aktuelle Förderprogramme.

Jürgen Frickinger, Projektleiter BAIKEM bei der Bayern Innovativ, Nürnberg, zog dementsprechend eine positive Bilanz des Kooperationsforums, und kündigte die Fortsetzung der Themenfelder „Sensoren und MEMS“, „Medizintechnik“ und „Smart Home“ für die kommenden Jahre an, um die Innovationsdynamik in diesen Zukunftsfeldern weiterhin zu unterstützen.

Fachlicher Ansprechpartner 
Jürgen Frickinger
Tel. +49 911-20671-160
Fax +49 911-20671-733

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