Ein kleines Ultraschallpflaster überwacht über längere Zeit Herz- oder Gefäßbewegungen, ein tragbarer Sensor erfasst Muskelaktivität oder unterstützt die kontinuierliche Blutdruckmessung: Wearable Ultrasound könnte künftig physiologische und mechanische Vorgänge im Körper kontinuierlich und direkt am Menschen erfassen. Während Fitnesstracker und andere Wearables längst im Alltag angekommen sind, befinden sich viele Ultraschall-Wearables noch im Forschungs- oder frühen Entwicklungsstadium. Woran das liegt und wie sich der Übergang aus dem Labor in reale Anwendungen beschleunigen lässt, erläutert Sensor-Experte Professor Christian Kupsch von der TU Bergakademie Freiberg gemeinsam mit seinen Ko-Autoren in einem aktuellen Beitrag im Fachjournal Nature Sensors.
Anders als viele etablierte Wearables, die vor allem elektrische oder optische Signale an der Körperoberfläche erfassen, kann Ultraschall Informationen aus tieferliegenden Gewebestrukturen liefern. Das eröffnet neue Möglichkeiten für kontinuierliches medizinisches Monitoring, Rehabilitation oder Mensch-Maschine-Interaktion. „Die technischen Grundlagen für tragbare Ultraschallsysteme sind heute grundsätzlich vorhanden. In den vergangenen Jahren gab es große Fortschritte bei tragbaren Ultraschallwandlern, Elektronik und Signalverarbeitung“, sagt Kupsch. „Trotzdem schaffen viele vielversprechende Demonstratoren den Sprung aus dem Labor in die praktische Anwendung bislang nicht.“
Gemeinsame Plattformen für schnellere Entwicklung und Vergleichbarkeit
Eine zentrale Hürde sehen die Autoren in fehlenden, breit zugänglichen Entwicklungsplattformen, mit denen neue Anwendungen untersucht und unterschiedliche Systemkonzepte verglichen werden können. „Offene und rekonfigurierbare, also für unterschiedliche Anwendungen anpassbare, Hard- und Softwareplattformen könnten eine deutlich größere Rolle bei der Entwicklung neuer Ultraschall-Wearables übernehmen“, erklärt Kupsch. „Sie können Forschungsergebnisse besser vergleichbar und reproduzierbar machen. Gleichzeitig müssen Anwendungsteams nicht für jede neue Fragestellung zunächst ein vollständiges Ultraschallsystem selbst entwickeln.“
Solche Wearable-Ultrasound-Plattformen bündeln zentrale Funktionen wie Signalerzeugung, Datenerfassung, Signalverarbeitung und Kommunikation in einer anpassbaren Entwicklungsumgebung. So können beispielsweise Forschende aus Medizin, Rehabilitation oder Mensch-Maschine-Interaktion neue Anwendungen untersuchen, ohne selbst Spezialisten für sämtliche Aspekte der Ultraschallelektronik sein zu müssen.
Aus Sicht der Autoren braucht es deshalb auch zusätzliche Investitionen in offene Forschungsinfrastrukturen, Open-Source-Projekte und gemeinsam nutzbare Plattformen. Sie können eine gemeinsame technologische Grundlage schaffen, auf der unterschiedliche Forschungsgruppen aufbauen und neue Anwendungen schneller erproben können.
Systemdesign entscheidet über den Weg zum Produkt
Wie groß die technische Herausforderung dabei ist, zeigt schon der Vergleich mit dem Ultraschallgerät aus der Arztpraxis: Was dort mit einem großen Gerät und leistungsfähiger Elektronik realisiert wird, muss für ein Wearable auf wenige Zentimeter schrumpfen und über lange Zeit mit einer kleinen Batterie funktionieren. Tragbare Ultraschallsysteme müssen also mit sehr wenig Energie und Bauraum auskommen und zugleich ausreichend Rechenleistung, Datenübertragungsrate, Signalqualität und Tragekomfort bieten.
Der entscheidende Schritt ist nicht nur, einzelne Komponenten immer weiter zu verbessern. Wir müssen verstehen, wie Wandler, Elektronik, Signalverarbeitung, Kommunikation und die jeweilige Anwendung als Gesamtsystem zusammenwirken. Genau dabei können gemeinsame Plattformen helfen – vom ersten Anwendungsexperiment bis hin zum herstellbaren System.
