Herzrate, Atemfrequenz und Sauerstoffsättigung messen Vitaldaten im Blick – völlig berührungslos

Anbieter zum Thema

Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF

Mettler-Toledo GmbH

Andreas Hettich GmbH

Werksitz GmbH

Herzrate, Atemfrequenz und Sauerstoffsättigung messen, ohne Elektroden auf der Haut oder störende Sensoren am Körper? Möglich macht das ein neuer, kompakter Sensor, den das Fraunhofer IOF gemeinsam mit Partnern entwickelt hat. Mögliche Anwendungen umfassen neben solchen in Gesundheit und Pflege auch die Bereiche Automotive und Arbeitssicherheit.

Ob in der Klinik, im Fahrzeug oder in Produktionsstätten: Es gibt zahlreiche Situationen, in denen es nützlich sein kann, den Gesundheitszustand eines Menschen zu beobachten, ohne die Person zu berühren oder in ihrer Bewegungsfreiheit einzuschränken. Herkömmliche Messverfahren benötigen jedoch häufig Elektroden, Kabel oder am Körper getragene Sensoren. Das schränkt einerseits den Komfort ein und stellt – gerade bei Anwendungen in Pflege und Gesundheit – besondere Anforderungen an die Hygiene.

Forschende des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF aus Jena arbeiten daher schon seit vielen Jahren an Lösungen, um wichtige Vitalparameter ganz ohne Berührung und allein mittels optischer Messung zu erfassen. Und das mit Erfolg: Frühere Systeme des Instituts konnten Herzrate, Atemfrequenz und Sauerstoffsättigung bereits kontaktlos erfassen, waren jedoch größer und aufwendiger in Bau und Anwendung. „Viele bestehende kamerabasierte Verfahren funktionieren nur unter idealen Bedingungen“, erläutert Martin Hubold, Wissenschaftler am Fraunhofer IOF. „Sobald die Messszene nicht optimal ausgeleuchtet ist oder die zu vermessende Person sich bewegt, werden die ohnehin schwachen physiologischen Signale schnell von Störeinflüssen überlagert.“

Ein neuer Sensor namens goVISCAN, den das Fraunhofer IOF gemeinsam mit Partnern im Forschungsbündnis „Advanced Multimodal Imaging“ (AMI) entwickelt hat, reduziert diese Einschränkungen deutlich. Das im Rahmen des Programms „Regionale unternehmerische Bündnisse für Innovation“ (RUBIN) geförderte Bündnis setzte dabei auf eine besonders kompakte Bauweise: goVISCAN ist gerade einmal 10 × 7,5 × 2,5 Zentimeter groß. Zugleich ist der Sensor darauf ausgelegt, auch bei wechselnden Lichtverhältnissen und Bewegungen zuverlässige Messungen zu ermöglichen. 

Unser Ziel war ein Sensor, der auch unter realistischen Bedingungen zuverlässig misst – und dabei so kompakt ist, dass er sich unauffällig in Alltagsumgebungen integrieren lässt.

Martin Hubold, Fraunhofer IOF

Neun Spektralkanäle für präzise Vitalmessungen

Die Kerntechnologie des neuen Vitalsensors ist eine neu entwickelte Multispektralkamera. Sie besteht aus einer hochpräzisen Anordnung von neun Mikrolinsen – einem sogenannten Mikrolinsenarray. Obgleich dieses Mikrolinsenarray monolithisch, also in einem zusammenhängenden Bauteil aus einem einzigen Stück Glas gefertigt ist, ist jede Linse für einen eigenen Wellenlängenbereich optimiert – von blau über grün und rot bis hin zum für das menschliche Auge unsichtbaren nahen Infrarotbereich. „Das bedeutet: Jede Mikrolinse arbeitet für sich wie ein eigenes Objektiv und erzeugt selbst jeweils ein eigenes Bild“, erklärt Hubold, unter dessen Leitung das Systemdesign entwickelt wurde. Jede Linse bildet die Szene mit einer Auflösung von 1,25 Megapixeln und einer Blende von f/4 auf einen eigenen Teilbereich eines gemeinsamen Bildsensors ab.

„Die Kombination der Bildinformationen aus den verschiedenen spektralen Kanälen macht das System besonders leistungsfähig und vielseitig“, sagt Hubold. Diese Anordnung ermöglicht es dem Sensor, selbst kleinste Helligkeitsschwankungen der Haut zu erfassen, wie sie durch den pulsierenden Blutfluss innerhalb der Haut entstehen.

Mögliche Anwendungen in Gesundheit, Automotive und Arbeitssicherheit

Der neue Sensor kann derzeit einen Blickwinkel von 40 Grad abbilden und im Abstand von 70 Zentimetern bis zu 1,3 Metern von der beobachteten Person arbeiten. Naheliegend ist eine mögliche Anwendung in den Bereichen Gesundheit und Pflege, etwa zur Überwachung von Patientinnen und Patienten im Krankenbett, bis hin zu denkbaren künftigen Einsätzen in der Telemedizin, bei der Ärzte digital zugeschaltet werden. Weiterhin eignet sich das System perspektivisch zur Anwendung im Fahrzeug, etwa zur Müdigkeits- und Aufmerksamkeitserkennung, sowie zum Einsatz an Leitständen oder Arbeitsplätzen, an denen Aufmerksamkeit und Belastung eine wichtige Rolle spielen.

In einer ersten Vorstudie haben die Forschenden mit zwölf Probanden den Einsatz des neuen Sensors  bereits unter kontrollierten Laborbedingungen erprobt. „Die Studie zeigt das Potenzial der Technologie“, resümiert Hubold. „Im Vergleich zu Referenzsystemen wie einem Fingerpulsoximeter, lag der mittlere Fehler bei der Atemfrequenz bei 1,3 Atemzügen pro Minute, bei der Herzrate bei 2,8 Schlägen pro Minute und bei der Sauerstoffsättigung bei 3,8 Prozentpunkten.“ Der nächste Schritt ist nun die Erprobung im klinischen Umfeld.

Miniaturisierung

Elektronisches Pflaster überwacht das Herz

Das Fraunhofer IOF zeigt den neuen Vitalsensor goVISCAN nun erstmals öffentlich ab dem 23. September auf der Hightech-Messe W3+ in Jena an Stand A3 in der Haupthalle sowie ab dem 6. Oktober auf der internationalen Bildgebungs-Fachmesse VISION in Stuttgart an Stand C92 in Halle 10. 

Entwicklung im Forschungsbündnis AMI im Rahmen von RUBIN

Der Vitalsensor entstand im Forschungsbündnis „Advanced Multimodal Imaging“ (AMI). In dem 2022 gestarteten und 2025 abgeschlossenen Bündnis arbeiteten elf Partner aus Wissenschaft und Wirtschaft zusammen, darunter acht kleine und mittlere Unternehmen sowie die TU Ilmenau und das Fraunhofer IOF.

AMI verfolgte das Leitmotiv „Utilize the Unseen“. Informationen, die für das menschliche Auge oder herkömmliche Kameras unsichtbar sind, sollten durch multimodale Bildgebung nutzbar gemacht werden. Neben dem Vitalsensor entstanden im Bündnis auch Lösungen für die sortenreine Erkennung von Kunststoffverpackungen und die Analyse von Bauschutt.

Gefördert wurde AMI mit rund neun Millionen Euro durch das Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) im Rahmen des Programms „Regionale unternehmerische Bündnisse für Innovation“ (RUBIN). Das Programm unterstützt regionale Forschungs- und Industrieverbünde dabei, neue Technologien zu entwickeln und in konkrete Anwendungen sowie marktfähige Lösungen zu überführen.

Originalpublikation: Martin Hubold, Johanna Karl, Kevin Srokos, et al.: Contactless vital sign parameter measurement using compact snapshot multispectral multiaperture camera: design, realization, application, evaluation, Proc. SPIE 14111, Optical Instrument Science, Technology, and Applications IV, 1411103 (28 May 2026).