Optische Sensorik

Im Bereich der optischen Sensorik wird unter anderem an Ansätzen geforscht wie man als Alternative zu Kameras, Ultraschall oder Nahinfrarot-Bildgebung Venen unter low-cost Gesichtspunkten detektieren und visualisieren kann. Als einfachste und günstige Möglichkeit können dafür gewöhnliche LEDs in Betracht gezogen werden, die sowohl Licht emittieren als auch messen können. Durch eine Beleuchtung der zu untersuchenden Stelle, kann anhand der Intensität des zurückgeworfenen Lichts, die von den unterschiedlichen Absorptionsgraden der Gewebetypen abhängt, unterschiedliche Strukturen erkannt werden. Des weiteren wird an der intensitätsbasierten Distanzmessung und der Kopplung mit Lichtwellenleitern geforscht.  

Präeklampsie ist eine schwerwiegende Schwangerschaftserkrankung und eine der Hauptursachen für mütterliche Mortalität weltweit. Sie ist häufig mit Wassereinlagerungen (Ödemen) im Gesicht und den oberen Extremitäten verbunden. Diese können mit herkömmlichen Methoden schwer quantifiziert werden. Mit Hilfe der Absorptionsspektroskopie werden am IM Wassereinlagerungen in den Fingern detektiert. Durch die Messung der spezifischen Absorption von Licht im Nahinfrarotbereich werden Veränderungen im Wassergehalt des Gewebes erfasst, die mit der Entstehung von Ödemen korrelieren. Anhand von Silikonfingermodellen mit definierten, variablen Wasseranteilen wurden Spektren aufgenommen, um die Menge an Wasser zu erfassen.

Patienten, die an der Wilson-Krankheit leiden, lagern Kupfer in ihrem Körper an. Die Kupferbelastung kann sich in Form von Kayser-Fleischer-Ringen (KF-Ringen) – farbigen Kupfer-Schwefel-Granulaten am Rand der Hornhaut – bemerkbar machen. Das erneute Auftreten von KF-Ringen bei Patienten unter Kupferentzugsmedikamenten kann ein Hinweis auf eine unwirksame Behandlung sein.
Die Forschung am IMT führte zu einem handgeführten Sensorsystem vor, das auf der Messung der Infrarotreflexion der Hornhaut basiert und als potenzielle Methode zur regelmäßigen Fortschrittsüberwachung zu Hause dienen könnte. Die Intensität der LEDs ist für den Betrieb am menschlichen Auge unbedenklich. Als Proof of Concept wurde die Reflexion gemessen, indem der Sensor auf weiße Papierproben mit Kupferband unterschiedlicher Größe in der Mitte des empfindlichen Bereichs aufgelegt wurde. Darüber hinaus wurde die Reflektivität für verschiedene Lösungen von Kupfersulfat in Kochsalzlösung bestimmt, die in an den Sensorkopf passende Adapterbehälter gegossen wurden, wobei die Cu²⁺-Konzentrationen der Proben aus der Literatur entnommen wurden.

Eine erfolgreiche Venenpunktion ist besonders bei älteren, dunkelhäutigen, adipösen oder pädiatrischen Patienten schwierig. Am IMT wurde eine neue Methode zur Venenlokalisierung entwickelt, die Venen mit Leuchtdioden (LEDs) erkennt und später in robotergestützten Venenpunktionsrobotern eingesetzt werden könnte. Da LEDs als Emitter und Detektoren verwendet werden, könnte der Sensor eine kostengünstige Alternative zu bestehenden Venenlokalisierungssystemen darstellen. Das Prinzip basiert auf einem Intensitätsunterschied zwischen beleuchtetem Gewebe und durch venöses Blut absorbiertem Licht. Die Sensor-LED wird in Sperrrichtung betrieben, um diese Intensitätsunterschiede zu erkennen. Für die Messungen wurde eine Reihenanordnung von Sensor- und Emitter-LEDs gewählt. Verschiedene Parameter, die das Venendetektionssignal beeinflussen, wurden untersucht. Die Positionierung der Lichtquellen im Sensorkopf zeigt Potenzial zur Verbesserung der Signalhöhe. Eine richtige Ausrichtung der LED-Reihe auf die Vene ist entscheidend für die Erkennung von Signalen. Infrarotwellenlängen sind insbesondere für verschiedene Hautfarben vielversprechend. Eine Erwärmung der Haut hat sich als signalverbessernd erwiesen, während dies bei der Anwendung einer Blutsperre nicht eindeutig festgestellt werden konnte. Das entwickelte Sensormodul könnte zur Erkennung von Venenmustern eingesetzt werden. Ein Sensormodul könnte über die Haut bewegt werden, um den interessierenden Bereich zu scannen, oder mehrere Sensormodule könnten in einer Matrix integriert werden, die auf die Haut aufgelegt wird, um das Venenmuster zu erkennen.

• Janzen S, Pott PP, Ödemdetektion durch Absorptionsspektroskopie zur Früherkennung von Präeklampsie, 126. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für angewandte Optik, 10.-14.6.2025
• Matouq J, Al Saaideh I, Hatahet O, Pott PP, Investigation and Validation of New Heart Rate Measurement Sites for Wearable Technologies, Sensors, 25, 2069, https://doi.org/10.3390/s25072069, 2025
• Janzen S, Wagner J, Pott PP, Early-detection of pre-eclampsia: Concept and design of a portable prototype, 58th Annual Conference of the German Society for Biomedical Engineering, Stuttgart, 18.-20.09.2024
• Mayer J, Narr J, Pott PP, Towards non-invasive Wilson’s disease progression monitoring based on corneal copper levels, 57th DGBMT Annual Conference on Biomedical Engineering (BMT 2023), 26.-28.09.2023, Rhein-Ruhr
• Stewart KW, Liu J, Willmann P, Pott PP, Assessment of a low-cost LED vein detection method - Initial proof of concept, IFAC, 12.-17.7.2020, Berlin