Herzmonitoring mittels Pflaster

Es sieht aus wie ein ganz normales Pflaster und kann auch so gehandhabt werden. Allerdings sind in ihm Sensoren und winzige elektronische Bauteile versteckt, mit denen ein Langzeitmonitoring des Herzens möglich wird. Gemessen werden Vitaldaten wie die Sauerstoffsättigung im Blut, die Brustbewegung sowie die Bioimpendanz. Die Daten werden kabellos an eine App übertragen und durch medizinisches Personal ausgewertet.

Entwickelt wurde das „EKG-Pflaster“ von Forschern am Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM in Berlin gemeinsam mit 30 europäischen Partnern aus Industrie und Forschung. Das Pflaster soll helfen, die Zahl der stationären Untersuchungen für Risikopatienten zu reduzieren.

Ein Demonstrator des kabellosen und flexiblen Messgerätes entstand im ESCEL-Projekt APPLAUSE (Advanced packaging for photonics, optics and electronics for low cost manufacturing in Europe). Das Projekt wurde im Rahmen von ECSEL Joint Undertaking durch das Forschungs- und Innovationsprogramm Horizon 2020 der Europäischen Union mit einer Summe in Höhe von 34,5 Mio. Euro gefördert.

Die Fraunhofer-Forscher konzentrierten sich in dem Projekt auf die System- und Schaltungsentwicklung, die Aufbau- und Verbindungstechnik sowie die Integration eines dichtgepackten Schaltungsträgers in das Pflaster.

Flexibel und kostengünstig
Als Trägerfolie für das Pflaster wurde thermoplastisches Polyurethan (TPU) verwendet, das aufgrund seiner Flexibilität und Dehnbarkeit einen hohen Tragekomfort am Körper ermöglicht. Das Material lässt sich zudem kostengünstig mittels gängiger Leiterplattentechnologien, wie beispielsweise der Montage von Komponenten mit Pick-and-Place-Maschinen verarbeiten. Dieser Vorteil wurde durch die Integration der elektrischen Funktionalitäten in ein duales System-in-Package-Design (SiP) genutzt, das direkt auf der flexiblen Leiterplatte montiert wurde. Würth Elektronik Circuit Board Technology, einer der Industrie-Partner, hat das Design der Leiterplatten mitbegleitet sowie die Fertigung der Substrate realisiert. Dazu wurden neuartige ultra- und starrflexible Aufbauvarianten mit dem Projektpartner Osypka AG konzipiert und die Leiterplatten auf Basis der hautfreundlichen Substrate hergestellt.

Integrationstechnologien konsequent weiterentwickelt
Im Projekt konnte außerdem gezeigt werden, dass eine robuste Verkapselung dünner Schaltungsträger, die mit Bauteilen unterschiedlicher Höhen bestückt sind, auf TPU möglich ist. Der hohe Grad der Miniaturisierung und dichten Integration führte letztendlich zu einem sehr unauffälligen Formfaktor, während die dehnbare Leiterplatte ein ausgesprochen nachgiebiges und biokompatibles Substrat darstellt. Der Druck der Elektroden direkt auf der flexiblen Leiterplatte sowie die Integration der gesamten Elektronik in ein textiles Substrat haben die Entwicklung der medizinischen Patches zur Überwachung der Körperfunktionen entscheidend vorangebracht.

Christine Kallmayer, die das Projekt am Fraunhofer IZM verantwortete, freut sich über die erzielten Ergebnisse: „Vor einigen Jahren war so ein elektronisches Pflaster zur Herzüberwachung noch unvorstellbar. Erst durch die Weiterentwicklung von Integrationstechnologien ist es nun möglich, Medizintechnik so zu miniaturisieren, dass es als biokompatibles und dehnbares Pflaster statt als starres Gerät genutzt wird.“

Das „Pflaster-EKG“ und weitere Forschungshöhepunkte der Gruppe System on Flex werden Mitte November auf der COMPAMED in Düsseldorf präsentiert.