Das elektronische Pflaster XPatch nimmt Schweiß auf, generiert in Echtzeit Angaben zur körperlichen Verfassung und schickt diese direkt an das Smartphone des Nutzers.

Bild: Volker Mai, Fraunhofer IZM

Gesundheitsmonitoring Fitness-Pflaster filtert Informationen aus Schweiß

29.07.2020

Schwitzen für die Gesundheit: Mit einem flexiblen Sensorsystem sollen Sporttreibende künftig herausfinden können, wie ihr Körper auf verschiedene Aktivitäten reagiert. Das Fitness-Pflaster überwacht das Herz-Kreislauf-System in Echtzeit und zieht seine Informationen dabei aus dem Körperschweiß.

Sport hält gesund. Gerade in der Quarantäne ist das Bedürfnis, sich aktiv zu betätigen, deutlich gestiegen. Genauso möchten immer mehr Menschen wissen, was die einzelnen Sporteinheiten in ihrem Körperinneren bewirken, beziehungsweise mit welcher Übung sich Fitness-Fans vielleicht keinen Gefallen tun.

Im internationalen Projekt XPatch wollen Experten der Biosensorik mit Mikroelektronik ausgestattete Pflaster für den Fitness- und Medizintechnikmarkt entwickeln, die genau diese Daten analysieren und direkt auf digitalen Endgeräten abbilden. Das Fraunhofer IZM ist dabei für die Energieversorgung, Kommunikation und Systemintegration des flexiblen Gesundheitsmonitors zuständig.

Komponenten des Fitness-Pflasters

Damit das kleine Sensorsystem als Gesundheitsmonitor dienen kann, sind folgende Komponenten in ihm untergebracht:

  • Antennen und integrierte Schaltkreise für die drahtlose Funkkommunikation mit einem Bluetooth-fähigen Endgerät

  • eine flexible Mikrobatterie zur autarken Energieversorgung

  • die Analogelektronik

  • der Sensorchip

  • das Power-Management

Die Mikroelektronik-Experten des Fraunhofer IZM entwickelten dabei die Aufbau- und Integrationstechnologie, um dünne Biosensoren und Elektronikkomponenten zu realisieren. Das Gesamtsystem in Form eines Pflasters, inklusive aller eingebauten Komponenten und Funktionalitäten, soll am Ende deutlich dünner als 1 mm sein.

Hautähnliche Zusammensetzung

Da XPatch letztlich auf der Haut getragen werden soll, wurden weiche und dehnbare, aber vor allem hautähnliche Materialien wie Polyurethan und Silikon verwendet. Durch das Einbetten der Elektronik in diese Materialien sind alle Komponenten von der Rückseite des Pflasters geschützt und haben keinen direkten Kontakt mit der Haut.

Anders die dünnen biochemischen Sensorchips: Sie sind genau dort auf der sensitiven Pflasteroberfläche, wo der Kontakt zur Haut gewährleistet ist. Hier wird mittels eines winzigen Stücks Vlies auf der freien Stelle des Pflasters hinter dem Chip der Körperschweiß aufgenommen. Die in dem Chip enthaltenen Sensoren messen dann Informationen und geben sie in Echtzeit an ein Endgerät weiter, wo sie sichtbar gemacht werden können.

Um die biochemischen Werte via drahtloser Übertagung an ein Smartphone zu senden, wurde am Fraunhofer IZM zusätzlich eine energiesparende Funkschnittstelle in das Pflaster integriert, die auf dem Bluetooth-Low-Energy-Übertragungsstandard basiert. Die für Sende- und Empfangsbetrieb nötige Antenne musste möglichst kompakt ausgelegt werden und gleichzeitig den Anwendungsanforderungen hinsichtlich des Materials, der Formänderung und ihrer elektrischen Eigenschaften entsprechen.

Nachdem das ultrasensitive Pflaster nun technisch erfolgreich validiert ist, wurden voll funktionsfähige Prototypen gebaut; Sportbegeisterte sollen sie ab Ende August testen.

Potenzial für Medizintechnik

Das Projekt XPatch wird vom BMBF im Rahmen des Eurostars-Programms gefördert und läuft noch bis Ende 2020. Das Konsortium umfasst Projektpartner aus vier Ländern: Xsensio (Schweiz) befasst sich mit der Lab-on-Chip-Technologie für die Schweißanalyse, R-Das (Slowakei) ist verantwortlich für das ASIC-Design sowie den analogen Schaltungsentwurf, die Vrije Universiteit Amsterdam (Niederlande) führt physiologische Tests und ebenso wie OLT (Deutschland) die Datenanalyse durch.

Für das Fraunhofer IZM sind vor allem die Erkenntnisse im Bereich der flexiblen Substrat-Technologien und der Integration elektronischer Komponenten wie Batterien und Antennen für medizinische Anwendungen interessant. Im Idealfall können die Technologien sowohl von Medizintechnik-Firmen als auch von Komponenten- und Materialherstellern genutzt werden, um eigene Produkte zu entwickeln beziehungsweise zu verbessern. Die Einführung neuer Produkte, die unter Einbindung der Ergebnisse des Projektes entstehen, wird in den kommenden fünf Jahren angestrebt.

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