LEDs für Fitness Tracker und Biomonitoring

Der OSRAM Podcast: Episode #6 mit Chris Göltner


Herzlich willkommen im Photonstudio, dem OSRAM Podcast. Mein Name ist Dieter Schierer, ich bin OSRAM Mitarbeiter im Bereich digitale Kommunikation und freue mich, die neue Folge zum Thema Biomonitoring mittels Lichts moderieren zu dürfen. Sie sind heute aus dem Fitnessalltag nicht mehr wegzudenken: Smartwatches und Fitness Tracker, die während und nach dem Training den Puls, die verbrannten Kalorien, die Sauerstoffsättigung im Blut und viele weitere biologische Messwerte erfassen. Was in den letzten Jahrzehnten noch dem Profisport vorbehalten war, ist in unserem Alltag angekommen. Das individuelle Biomonitoring.

Das Streben nach Leistung und Selbstoptimierung ist so alt wie der Mensch selbst. Sei es das olympische Motto "höher, schneller, weiter" oder der Wunsch nach Schönheit. Und wie in all unseren Podcasts, spielt Licht dabei eine entscheidende Rolle, wenn es um die Erfassung der Vitalwerte geht. Wie und vor allem welches Licht in den Fitness Trackern eingesetzt wird und welche Trends uns hier zukünftig noch erwarten, verrät uns mein heutiger Gast im Photonstudio: Dr. Christoph Göltner, Marketing Ingenieur für den Bereich Vital Sign Monitoring bei OSRAMs Geschäftseinheit Opto Semiconductors. Heute zugeschaltet aus dem sonnigen Sunnyvale in Kalifornien.

Dieter: Christoph, Ich freue mich sehr, dass du heute unser Gast im Photonstudio bist. Herzlich willkommen!

Christoph: Dieter, vielen Dank, dass ich hier die Gelegenheit habe, in eigener Sache Reklame zu machen, für die Sensor Gruppe bei OSRAM Opto Semiconductors.

Dieter: Christoph, du bist bei OSRAM Opto Semiconductors, einer unserer Geschäftseinheiten in Amerika unterwegs. Du bist Marketing Ingenieur für den Bereich Vital Sign Monitoring. Aber was bedeutet das genau, wenn wir über Vital Sign Monitoring sprechen?

Christoph: Ursprünglich hieß dieses Marktsegment Wearables und es läuft auf die Fitbit Tracker und die Smartwatches zurück, die vor ungefähr fünf Jahren auf den Markt gekommen sind und einen großen Erfolg gezeigt haben. Es ist einer der größten Wachstumsmärkte im Bereich Consumer Electronics. Optische Sensoren sind hier wichtig, weil sie wesentlich einfacher und wesentlich genauere Messwerte über den Körperzustand geben können. Das beste Beispiel ist da sicherlich der Herzschlag. Vorher wurde mit Brustgurten und Elektroden elektrisch der Pulsschlag gemessen. Es ist natürlich wesentlich unangenehmer mit einem Brustgurt herumzurennen, als mit einer Uhr am Handgelenk. OSRAM ist hier im Silicon Valley sehr gut aufgestellt. Die Hauptimpulse für Innovationen kommen weiterhin aus dieser Gegend.

Dieter: Vielen Dank für die Antwort! Alle Topmodelle der Smartwatches und der sogenannten Fitness Tracker sind mit optischen Sensoren ausgestattet. Das sind meistens grün leuchtende LEDs, die man auf der Rückseite entdecken kann. Kannst du uns kurz erklären, was diese LEDs genau machen?

Christoph: Das Prinzip beruht darauf, dass das Blut Licht absorbiert. Das heißt, je höher das Blutvolumen ist, desto mehr Licht wird absorbiert. In dem Fall wird von einer grünen LED das Lichtsignal in die Haut gebracht und verteilt sich dort. Ein Teil dieses Lichtes wird zurückreflektiert und von einer Fotodiode, die direkt neben der LED sitzt, empfangen. Mit sehr präziser Messelektronik kann dann ein Pulssignal abgeleitet werden. Mit der heutigen Elektronik und den Verstärkungsfaktoren ist es möglich, selbst die kleinsten Signale zu messen. Die Herausforderung beruht jedoch darauf, dass ich sehr viele Störgrößen habe, zum Beispiel wenn ich meine Hand bewege. Ich muss dann sicherstellen, dass ich diese durch den Softwarealgorithmus ausgleiche, um gute Informationen über die Zielgröße zu bekommen.

Dieter: Jetzt würde ich aber gerne wissen, wie das genau funktioniert. Ich trage auch so eine Uhr und es ist schon faszinierend, wie viele Information die Uhr liefern kann. Die Uhr misst meinen Puls, kann die maximale Sauerstoffaufnahme im Blut messen, die anaerobe Schwelle mitteilen, die Sauerstoffsättigung im Blut messen und misst die Schlaflänge. Ich habe gelesen, dass der Prozess des Messens mit Systole und Diastole zu tun hat. Das musst du mir genauer erklären. Und warum denn unbedingt ein Licht als Messinstrument und nicht einfach eine Elektrode im Fitness Tracker?

Christoph: Der optische Sensor hat den großen Vorteil, dass er nichtinvasiv ist. Grün ist die Farbe, die am stärksten vom Blut absorbiert wird. Das Prinzip, auf dem dieses optische Messen der Herzfrequenz beruht ist das Prinzip der PPG (Photoplethysmography). Das ist ein Prinzip, was letztlich die Absorption des Blutes aufgrund des Blutvolumens misst. Du hast aufgrund der Pulswelle, die durch den Körper geht, eine Ausdehnung der Arterien. Die LED sendet ein Lichtsignal in die Haut und die Photodiode misst, was reflektiert zurückkommt. Der minimale Unterschied aufgrund der Ausweitung der Arterien wird dann ausgewertet, um den Herzschlag und den Herzrhythmus zu messen. Das Gleiche gilt auch für abgeleitete Größen. Für den Sauerstoffgehalt benutzt du den Unterschied zwischen Rot und Infrarot, weil das Hämoglobin Infrarot und Rot anders absorbiert. Aufgrund dieser Differenz kann ich dann den Blutsauerstoffgehalt messen. Es ist also nicht nur grün was benutzt wird, sondern auch andere Wellenlängen. Aber grün ist natürlich für die Herzschlagmessung die beliebteste Wellenlänge. Das Handgelenk ist dafür aber eigentlich der am ungeeignetsten Platz am Körper. Du hast hier Sehnen und Knochen und eigentlich nicht so viel durchblutetes Gewebe. Von daher ist die Herausforderung das am Handgelenk zu Messen besonders groß. Aber aufgrund der Erfahrung und Verfeinerung der entsprechenden Algorithmen ist das heute sehr zuverlässig möglich.

Dieter: Was beeinflusst denn die Genauigkeit der Messung? Was ist da besonders wichtig? Und was ist, wenn Abweichungen in der Messung auftreten?

Christoph: Abgeleitet sind Dinge wie die sogenannte Herzschlagvariabilität. Was hier entscheidend ist, ist wie man die Pulskurve über die Zeit misst. Dazu ist es sehr wichtig, dass ich sehr präzise bin. Auch wenn ich von der Herzschlagvariabilität spreche, geht es darum, den Peak der Pulswelle zu finden. Wenn ich die nicht finde, führen kleine Abweichungen zu schlechten Ergebnissen. Von daher ist die Anforderung an den optischen Sensor erheblich. Das ist ein Aspekt, wo OSRAM sich auszeichnet im Vergleich zur Konkurrenz! Wir haben hier ein wesentlich tieferes Systemwissen und auch unsere optischen Grundlagen sind sehr solide.

Dieter: Die optischen Module werden ständig weiterentwickelt. Vor zwei Jahren habe ich eine Pressemeldung gelesen, dass wir bei OSRAM die Effizienz von grünen LEDs um 40 Prozent gesteigert haben und somit die Auswirkungen des sogenannten Green Gap Phänomens geringer halten. Was bedeutet dieses Green Gap Phänomen und welche Herausforderungen existieren noch heute bei der Entwicklung von neuen Chips für Fitness Tracker? Wo stehen wir momentan als Marktführer?

Christoph: Ich werde häufig in meiner Rolle von den entsprechenden Strategie Abteilungen gefragt, wie sich der Markt und die Preise für die Sensoren entwickeln. Wir rechnen eigentlich bei fast allen Komponenten mit einer typischen Preisreduktion pro Jahr. Ich gebe dann immer Preisentwicklungen an, die genau das Gegenteil besagen. Die Leute fragen mich dann, warum ist das so? Und ich erkläre dann, dass die optischen Sensoren ständig komplizierter und aufwendiger werden. Die ersten Sensoren hatten lediglich eine LED und eine Fotodiode. Das heißt, wenn die Uhr am Handgelenk wackelt, verliere ich mein Signal, da der Kontakt zur Haut weg ist. Wenn ich heute eine der führenden Smartwatches auseinandernehme, stelle ich fest, dort sind acht Fotodioden und eine Reihe von LEDs drinnen. Das Prinzip heißt hier Multipath. Ich habe nicht nur einen Lichtpfad vom Emitter zur Fotodiode, sondern ich habe mehrere. Der Algorithmus vergleicht dann, welches Signal am besten ist und kann aus 3-4 verschiedenen Signalen wesentlich bessere Ergebnisse ableiten. Die Herausforderung an uns ist, solche ständig komplexer werdenden Sensoren kostengünstig und effizient anbieten und bauen zu können.

Dieter: Und das grüne Licht? Was finden wir hier für Herausforderungen? Und welche Punkte sind hier für die Kunden wichtig?

Christoph: Grünes Licht kann auf verschiedene Methoden erzeugt werden. Das Problem ist, dass keine Halbleiterkombination ideal auf Grün optimiert werden kann. Man ist immer am Ende des Spektrums von der ein oder anderen Materialgeneration. Was mittlerweile auch versucht wird, ist mit sogenannten Quantum Dots Lichtfrequenzänderung hervorzurufen. Das sind alles Themen, die weiterbearbeitet werden und wo OSRAM auch führend ist. Was wirklich für den Kunden entscheidend ist, ist ein anderes Thema und zwar die Vorwärtsspannung der grünen LED. Die Smartwatches werden ja alle batteriebetriebenen und eine Lithium-Ionen-Batterie liefert circa 3,3 Volt. Wenn ich ein LED habe, die eine höhere Vorwärtsspannung braucht, wie ursprünglich die grünen LEDs, brauche ich dann entweder zwei Batterien oder ich muss eine Spannungspumpe einbauen. Es entsteht also eine Verkürzung der Batterielebenszeit. Mit unserem neuen grünen LEDs sind wir in der Lage, dem Kunden ein Produkt zu liefern, das ohne Spannungspumpe funktioniert. Das ist einer der Hauptgründe, warum über zwei Drittel des Weltmarktes die grünen LEDs von OSRAM nutzt.

Dieter: Aktuell dominiert die Corona Krise weitestgehend die Berichterstattung. Ich kann mir vorstellen, dass die Vital Sign Monitoring Applikationen jetzt noch mehr an Bedeutung erfahren und zum Beispiel helfen, Patienten oder Risikopersonen zu beobachten. Hast du da schon irgendwelche Projekte oder wie ist da der Stand der Dinge?

Christoph: Die Pandemie ist ein wirtschaftliches und menschliches Desaster für die ganze Welt. Es gibt aber natürlich auch positive Aspekte und in dem Fall ist es wirklich richtig, seit dem Höhepunkt der Pandemie habe ich sicherlich über fünf neue Projekte, die sich mit dem Thema Sp02, also dem Blutsauerstoffgehalt beschäftigen. Das Problem hier ist, dass solche Geräte alle von der FDA (Food and Drug Administration) entsprechend zertifiziert sein müssen. Das dauert zum Teil ein halbes Jahr oder kann sogar Jahre dauern. Das sind Themen, wovon die meisten Leute gar nicht wissen. Der Hauptaspekt ist eigentlich, wenn die großen Smartwatch Hersteller davon reden, wie ihre Produkte helfen. Das bezieht sich mehr auf Aspekte, dass mein Gesundheitsverhalten und die Parameter, wie mein Herzschlag sich ändern. Und ich kann hier mit KI Algorithmen Änderungen der Abläufe erkennen und dann eine Vorwarnung geben. In vielen Fällen bemerke ich als Betroffener die Symptome erst nach einer gewissen Zeit. Mit entsprechenden Sensoren kann ich vorher schon erkennen, dass hier irgendwas im Gange ist und so schon früher Vorbereitungen treffen, um das einzudämmen.

Dieter: Die möglichen Einsatzgebiete von optischen Sensoren im Bereich Vital Sign Monitoring gehen ja weit über Fitness Tracker und Smartwatches hinaus. Ich habe bereits vor ein paar Jahren mit einem Kollegen über das Thema Wassergehaltsmessung im Körper gesprochen. Er hat es mir das so geschildert, dass man mit einem Chip, welcher im Ring am Finger eingebaut wird, dass Wassergehalt im Körper messen kann. Jetzt will ich aber wissen, welche Applikationen aus deiner Sicht mit optischen Modulen in naher Zukunft möglich werden? Und wie gehen wir hier vor bei der Neuentwicklung?

Christoph: Der Ausblick ist mehr als rosig. Es ist ja erst ein paar Jahre her, dass diese Fitness Tracker mit optischer Herzschlagmessung auf den Markt gekommen sind. Mittlerweile sind sie Standard und haben sich etabliert. Ich freue mich immer, wenn die Luxusuhren aus der Schweiz das mittlerweile auch einbauen. Weil wenn ich einem CEO eine Uhr schenke und es sieht so plastikmäßig aus, ist mir klar, dass er sie nie anziehen wird. Und mittlerweile nutzen diese Luxusuhren auch solche Sensoren. Beim Ausblick ist die optische Hirnstrommessung mein Lieblingsthema. Ich bin immer fasziniert, wenn ich auf Messen gehe und man ein Band um die Stirn bekommt und dann mit Konzentration Dinge steuern kann.

Das ist natürlich heute noch absolut ungenau. Aber ich bin fasziniert, dass ich hier gedanklich hervorgerufene Steuersignale geben kann und diese dann auswerten kann. Eine der ganz großen Technologiefirmen hat ein Team hier, das sich mit Themen beschäftigt, die traditionell alle mit EEG funktionieren. Ich klebe also elektrische Kontakte auf die Haut, um Hirnströme zu messen. Das Problem ist natürlich, dass ich mein Signal verliere, wenn es verrutscht oder wegfällt. Jetzt gibt es schon Ansätze, das zum Teil optisch zu machen, dass ich hier ähnlich wie bei der Sp02 Messung die Hirnstromaktivitäten algorithmisch ableiten kann. Aber du hattest ja noch verschiedene weitere Applikationen genannt.

Manche sind sehr schwierig umzusetzen, Wassergehalt ist sicherlich eines davon. Einige Startups haben das versucht, sind aber noch nicht so weit gekommen, dass es produktreif ist. Was klar ist, dass es physisch und physiologisch möglich ist. Es ist eigentlich immer nur eine Frage der Zeit und ob genügend Business Case dahintersteckt, um solch eine Produktentwicklung zu finanzieren. Was häufig in der Presse vorkommt ist das Blutzuckergehalt. Diabetiker, die sich täglich in den Finger stechen müssen, würden sicherlich sofort auf eine optische, nicht invasive Methode umsteigen. Ich habe in den letzten drei Jahren sicherlich mit 5-6 Firmen darüber gesprochen, die behaupten, dass sie das machen können. In manchen Fällen merkt man gleich, dass da die physiologische Grundlage nicht da ist. Aber ich habe zumindest eine Firma kennengelernt, die mir gegenüber plausibel gezeigt hat, dass es optisch machbar ist. Es ist nur noch eine Frage der Zeit, bis es in eine Form gebracht wird, die für den Patienten besser handhabbar ist und bis das entsprechende Kostenniveau erreicht wird, um das das Produkt auf den Markt zu bringen. Ich würde mal sagen, dass innerhalb der nächsten fünf Jahre solche Geräte auf dem Markt kommen. In der heutigen Zeit sind fünf Jahre eine Ewigkeit, aber es wird zusätzlich viele neue Sensoranwendungen geben, über die wir uns vielleicht gar nicht bewusst sind.

Dieter: Hast du ein konkretes Beispiel dafür?

Christoph: Eine Startup Firma in den USA misst jetzt, wenn ich eine Infusion bekomme, inwieweit die Infusionsflüssigkeit nicht in die Blutbahn kommt, sondern in das Gewebe und dann zu Komplikationen führt. Das wird zum Beispiel mit gelber Lichtwellenlänge gemessen. Das ist jetzt ein Randbeispiel und von diesen Beispielen gibt es sehr viele. Einige davon schaffen es dann auch auf den Massenmarkt zu kommen. Ein anderes Beispiel kommt aus der Raumfahrt. Die Astronauten verlieren ihre Muskelmasse, weil sie der Schwerkraft ausgesetzt sind. Eine kleine Firma in Nordeuropa nutzt unsere Fotodiode und unsere Emitter, um hier spektroskopisch mit zwei Wellenlängen die Muskelmasse zu bestimmen. Das sind alles Ansatzpunkte, die zeigen, wie optische Sensoren für eine ständig wachsende Zahl von Anwendungen genutzt werden. Das ist absolut faszinierend!

Dieter: Christoph, ich glaube du hast einen wirklich spannenden Job! Aber was bereitet dir am meisten Spaß dabei?

Christoph: Ein ganz wichtiger Aspekt ist, wie schnell und flexibel wir sind, um Kundenanfragen zu bedienen. Wir hatten für unsere Sensoren eine Anfrage bei einem ganz großen asiatischen Smartphone-Hersteller. Wir mussten in kürzester Zeit ein Konzept und einen Prototyp liefern. In sage und schreibe zwei Wochen hatten wir die ersten Fotodioden mit der entsprechenden Custom Konfiguration geliefert. Bei OSRAM sind wir in der Lage, wirklich schnell zu reagieren, wenn das Team zusammenhält und entsprechend reagieren kann. Wenn man mit der Elite der Technologie zusammenarbeiten kann und respektiert wird, würde ich sagen ist das Spaß, den man im normalen Geschäftsleben sicherlich nicht in vielen Firmen hat. Da kann ich nur jedem beglückwünschen, der in eine ähnliche Situation kommt!

Dieter: Das ist der perfekte Abschluss! Vielen herzlichen Dank, du hast mir viel erklärt und bei deinem Ausblick darf man echt noch gespannt sein, was im Bereich Vital Sign Monitoring auf uns zukommt.

Christoph: Vielen Dank Dieter, es hat viel Spaß gemacht und ich hoffe, dass der Podcast von vielen Leuten gehört wird.

In der heutigen Episode von Photonstudio hat mir Christoph erklärt, wie die Erfassung der Vitalwerte mit optischen Sensoren funktioniert und welche Applikationen und Produkte wir außer den weitverbreiteten Smartwatches und Fitness Trackern in naher Zukunft sehen werden. Diese Folge sowie alle anderen Episoden unseres Podcasts können Sie auf iTunes, Spotify, Soundcloud und Google Podcast hören. Viel Spaß damit und bis zur nächsten Episode im Photonstudio.

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