Smart Sensing and Electronics

Veränderungen im Gesundheitszustand erkennen, bevor Beschwerden entstehen oder Erkrankungen fortschreiten: dieses Ziel verfolgt die präventive Medizin. Die Medizin der Zukunft soll Krankheiten deshalb nicht nur behandeln, sondern schon ihrer Entstehung entgegenwirken. Damit rückt die Frage in den Fokus, wie sich Gesundheit und Krankheit möglichst früh objektiv erfassen lassen. Die Grundlage hierfür sind hochwertige medizinische Daten. Entscheidend ist dabei nicht nur, was gemessen wird, sondern auch wie.
 

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Wie individuell ist Krankheit wirklich – und was bedeutet das für ihre Behandlung? Die personalisierte Medizin geht genau dieser Frage nach: Sie versteht biologische Vielfalt als Schlüssel und verknüpft molekulare, bildgebende und klinische Daten zu individuellen Krankheitsprofilen. Zwei zentrale Technologien sind dabei Spatial Biology, die die räumliche Verteilung biologischer Moleküle im Gewebe sichtbar macht, und Multi Omics, die verschiedene molekulare Ebenen, wie Gene, Proteine und Stoffwechselprozesse, gemeinsam analysiert. Die Forschenden am Fraunhofer IIS haben dafür die Softwarelösung MIKAIA® entwickelt.

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Im Forschungsprojekt ViseKat entwickeln Forschende ein drahtloses Vitalsensorikpflaster für den Katastrophenfall, das Einsatzkräfte bei der Einschätzung und kontinuierlichen Überwachung von Patientinnen und Patienten unterstützen soll. 2026 wurde der Forschungsantrag bewilligt– bis 2029 soll ein Prototyp entstehen, der insbesondere im Szenario eines Massenanfalls von Verletzten (MANV) zusätzlichen Handlungsspielraum durch verlässliche Echtzeitdaten schaffen kann. Im Interview ordnet Norman Pfeiffer, Gruppenleiter Medizinische Sensorsysteme am Fraunhofer IIS, die Ziele und Herausforderungen des Vorhabens ein.

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In der Abteilung Digital Health & Analytics untersuchen die Forschenden, wie Präventionsmaßnahmen so gestaltet werden können, dass Menschen seltener und weniger schwer erkranken. Zudem setzen die Expertinnen und Experten medizinische Sensorik und Künstliche Intelligenz ein, um Diagnostik und Therapien wirkungsvoll zu unterstützen und um die Gesundheits- und Patientenversorgung zu verbessern. Der erste Teil der Serie im Online-Magazin zum Wissenschaftsjahr »Medizin der Zukunft« zeigt an den Beispielen integrierte Sensorik in Alltagsgegenständen und intelligente Datenanalyse in der digitalen Pathologie, wie die Innovationen des Fraunhofer IIS einer digitalen Medizin den Weg ebnen – ob direkt für Anwenderinnen und Anwender oder als wertvolles Tool für die Forschung.

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Bei der Suche nach einer wettbewerbsfähigen Lösung bewegen sich Chipdesignerinnen und -designer stets an der Grenze des technisch Machbaren. Gemeinsam mit ihren Kunden verschieben Pit Ritter und das Team im Bereich Smart Sensing and Electronics diese Grenzen – so entstehen innovative Chip-Lösungen. Der Business Developer fungiert als Schnittstelle zwischen Unternehmen und Forschenden in der Chip-Entwicklung. Er nennt vier entscheidende Vorteile, von denen Unternehmen in der Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IIS profitieren.

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»Der Impact der Mikroelektronik in all seinen Facetten ist wirklich enorm«, erläutert Prof. Dr. Heinrich Milosiu. Er ist Chief Scientist für System- und Schaltungsoptimierung und Chipdesigner am Fraunhofer IIS sowie Professor an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU). Milosiu ist davon überzeugt, dass Chipdesign, ein Bereich der Mikroelektronik, nicht nur zur Weiterentwicklung von zukunftsrelevanten Technologien beiträgt, sondern auch einen nachhaltigen Beitrag zum Klimaschutz leistet.

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Es gibt Tage, da läuft es einfach nicht. Zahllose E-Mails sind abzuarbeiten. Hinzu kommen Telefonkonferenzen, und dann gibt es vielleicht noch Streit im Büro. Wenn man dann abends ins Auto steigt, fährt die Anspannung mit. Man fährt forscher, ist unaufmerksam – und schon kracht es. Hilfreich wären in solchen Momenten Assistenzsysteme, die den Zustand des Fahrers oder der Fahrerin erkennen.

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Eine gute gesundheitliche Versorgung ist grundlegend für die Verbesserung der Lebensqualität von Menschen in Deutschland und auf der ganzen Welt. Dafür benötigt es valide Forschung im Medizinsektor, welche nach stichhaltigen Studien mit einer ausreichend hohen Anzahl an Probanden verlangt. Die Umsetzung erfordert in der Regel einen hohen Zeitaufwand, weshalb Studien häufig nicht schnell genug durchgeführt werden können. Christian Weigand, Gruppenleiter des Mobile Health Lab am Fraunhofer IIS, stellt sich in seinem Projekt DPM.research (Digitaler Patienten Manager) dieser Herausforderung. Er beschäftigt sich damit, wie Patientendaten während laufenden Forschungsprojekten übertragen und gemanagt werden können.

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In erster Linie macht die Entwicklung zukunftsweisender Technologien das Fraunhofer IIS zum renommierten Forschungsinstitut. Warum eine angenehme Arbeitsatmosphäre und aufgeschlossene Vorgesetzte mindestens genauso wichtig sind wie eine fachliche Expertise und was all das mit Kaffee zu tun hat, erklärt Institutsleiter Prof. Albert Heuberger.

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Apfel, Lemongrass, schwarzer Pfeffer oder auch Popcorn. Das sind nur ein paar der Aromen, mit denen ein Kaffee beschrieben werden kann. Die Arbeitsgruppe Digital Sensory Perception am Fraunhofer IIS beschäftigt sich mit der Frage, auf welche Weise Produkte wie Kaffee technisch anhand von Gasen und Gerüchen zu unterscheiden sind. Im Interview mit Expertinnen und Experten vom Fraunhofer IIS und von der Rösterei Kaffeesurium in Fürth erfahren Sie mehr über die Welt der Kaffeearomen und was deren Entschlüsselung mit Künstlicher Intelligenz (KI) zu tun hat. 

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Die Diagnose parasitärer Infektionen erfordert besondere Expertise. Darum müssen medizinische Laboratorien regelmäßig den Nachweis erbringen, dass sie qualifiziert sind, die Parasiten zu erkennen. Normalerweise sind dazu logistisch aufwendige Ringversuche erforderlich. Bis jetzt. Mit ParasiteWeb® als digitaler Plattform können die Ringversuche nun online deutlich einfacher durchgeführt werden. Expertin Dr. Michaela Benz, deren Team an der Entwicklung beteiligt ist, erklärt die Vorteile von ParasiteWeb®.

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Der Chatbot ChatGPT ist groß im Gespräch. Die durch KI gestützte Software des amerikanischen Unternehmens OpenAI beantwortet Fragen und produziert Texte — und ist aktuell jedem frei zugänglich. Volker Bruns, Gruppenleiter Medizinische Bildverarbeitung in der Abteilung Digital Health Systems, hat mit der KI ein Gespräch über die Digitale Pathologie geführt. Das Ergebnis beeindruckte den Wissenschaftler, doch es ließ ihn auch aufhorchen: Welche Implikationen haben Roboter wie ChatGPT für die wissenschaftliche Arbeit? Darüber sprach er mit uns im Interview.

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In der European Association for Artificial Intelligence (EurAI) kommen wissenschaftliche Gesellschaften zusammen, die sich mit dem Thema künstliche Intelligenz beschäftigen. Jährlich werden etwa 3% der Mitglieder EurAI Societies zum EurAI Fellow gekürt. Unter den diesjährigen vier neuen Fellows wurde auch Prof. Dr. Ute Schmid ausgezeichnet. Die Professorin für Angewandte Informatik insbesondere Kognitive Systeme an der Otto-Friedrich-Universität Bamberg und Projektleiterin der Comprehensible AI, kurz CAI (ehemals Erklärbare KI) beim Fraunhofer IIS erklärt, was die Auszeichnung für sie und ihre Forschung bedeutet, und blickt auf ihre Forschungsergebnisse der letzten Jahre zurück.

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Im Zellsortierungsprojekt IMAGO werden Zellen anhand ihres mikroskopischen „Aussehens“ sortiert. Die Technik nutzt intelligente Bildanalyse mit neuronalen Netzen und hat vielfältige Anwendungsmöglichkeiten von der medizinischen Grundlagenforschung bis hin zur Lebensmittelherstellung.

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Die wachsende Anzahl vernetzter Anwendungen und Geräte wird als Gegenspieler der Nachhaltigkeit wahrgenommen. Dass beides aber auch Hand in Hand gehen kann, sieht man am innovativen und stromsparenden RFicient®-Chip, der neue Chancen für die Vernetzung von Sensorknoten eröffnet und kürzlich den Fraunhofer-Preis 2022 gewonnen hat.  

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Das ADA Lovlace Center for Data, Analytics and Applications verbindet KI-Forschung mit KI-Anwendungen für die Wirtschaft in Bayern. Im Gespräch mit Ada Lovelace, der Namenspatronin des ADA Lovelace Centers, erzählen die Expertinnen und Experten von ihrer Arbeit, ihren Forschungsprojekten und den Neuigkeiten aus dem Partnernetzwerk.

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SEC-Learn (Sensor Edge Cloud für verteiltes Lernen) ist ein Projekt von elf Fraunhofer-Instituten, das einen großen Technologiesprung im Bereich der neuromorphen Hardware verspricht: Erstmals wird ein Chip für die Beschleunigung von Spiking Neural Networks (SNN) in Verbindung mit dem sogenannten Federated Learning entwickelt. Das bringt in der Praxis Vorteile für Unternehmen und Privatpersonen.

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Christian Hofmann, Gruppenleiter am Fraunhofer IIS, arbeitet an der Entwicklung eines »CardioTEXTIL«: ein textilintegriertes Sensorsystem, das bequem eine kontinuierliche Überwachung der Herzaktivitäten ermöglicht. #WeKnowHow

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Bereits jetzt gilt die Metropolregion Nürnberg mit ihren globalen Playern und dem Partnernetzwerk des »Medical Valley« als international sichtbarer bayerischer Leuchtturm der Medizintechnikbranche. Das »Zentrum für Sensorik und Digitale Medizin des Fraunhofer IIS« erweitert dieses Spektrum. Hier werden zukünftig neuartige, smarte Gesundheitstechnologien z.T. unter Einsatz KI-basierter Lösungen im klinischen Umfeld entwickelt und validiert. Die Leitung des Zentrums übernimmt Matthias Struck aus der Abteilung Bildverarbeitung und Medizintechnik am Fraunhofer IIS.

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Sie ist ein Ausnahmetalent in vielerlei Hinsicht. Mit Leidenschaft und Hingabe verfolgt Dr. Dr. Theresa Götz zahlreiche Interessen. Wie vielseitige diese sind, zeigt ihr Werdegang: Ursprünglich wollte sie als Hotelfachfrau und Köchin das Familienrestaurant übernehmen. Dann gewann sie einen Jugend- Forscht-Wettbewerb, besuchte die Fraunhofer Talent Academy und absolvierte in Rekordzeit ein Physikstudium. Mit 26 Jahren hatte sie zwei Promotionen erfolgreich erlangt und arbeitet nun als Chief Scientist und stellvertretende Gruppenleitung für Gruppe Multimodel Human Sensing am Fraunhofer IIS. Wir befragten Theresa Götz zu ihrem Werdegang und den Quellen ihrer Kraft und Motivation.

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Die von uns entwickelte nanoSPECTRAL-Technologie ermöglicht viele hochintegrierte spektrale Kanäle zu sehr geringen Kosten. Hierbei bleiben insbesondere, unabhängig von der Anzahl der zu realisierenden spektralen Kanäle, die Produktionskosten praktisch konstant. Erreicht wird dies durch die Strukturierung von Metallschichten des CMOS-Halbleiterprozesses. Für diese optischen Nanostrukturen werden also im Gegensatz zu konventionellen optischen Filtern wie z. B. Dünnschichtfiltern keine weiteren Schritte benötigt. #WeKnowHow

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Christian Weigand beschäftigt sich mit der Digitalisierung des Gesundheitswesens. Er ist Leiter des Mobile Health Labs für mobile und digitale Medizin in Bamberg und CTO im Digital Health Application Center. Unter der Fragestellung »Kommt der Arzt zukünftig ins Wohnzimmer?«, informiert er im Podcast »Innovationskünstler*innen im Gespräch« der Initiative Innovationskunst zu Neuerungen im Bereich der Telemedizin, die zur Erleichterung der Kommunikation zwischen Patienten und medizinischem Personal beitragen soll. Dabei stehen Sicherheit und Verfügbarkeit der medizinischen Daten sowie die Forschung im Mittelpunkt.

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Christian Hofmann ist Gruppenleiter am Fraunhofer IIS. Mit seiner Arbeitsgruppe Medizinische Sensorsysteme arbeitet er am Projekt Filter4Flow mit, das die Versorgung von künstlich beatmeten Erkrankten vereinfacht und befürchtete Engpässe von Beatmungsplätzen verhindern kann. #WeKnowHow

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Christian Weigand, Leiter des Mobile Health Lab, arbeitet am Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS. Er erklärt, wie die Pandemie-Management-App  Gesundheitsämter unterstützen kann.

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Rechnerarchitekturen, vom menschlichen Gehirn inspiriert – das klingt arg theoretisch und fern vom Alltag der meisten Menschen. Doch weit gefehlt: Die neuromorphe Hardware, die ein Forscherteam des Fraunhofer IIS und der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg FAU entwickelt hat, kann Vorhofflimmern frühzeitig erkennen und das Risiko für Schlaganfälle erheblich senken. Und hat damit eine ganz praktische und alltagsnahe Anwendung.

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Dr. Matthias Völker, Gruppenleiter, und Dr. Markus Stahl-Offergeld, Senior Engineer, arbeiten beide im Bereich Smart Sensing and Electronics des Fraunhofer IIS. Derzeit beschäftigt sie das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte Gesamtprojekt »KI-PREDICT«, in dem die Datenverarbeitung direkt am Sensor erfolgt, und zwar mithilfe von KI-Funktionen. Im Rahmen dieses Projektes konzentrieren sich die beiden auf die Entwicklung des »Sensor-Interface ASIC« mit integrierten KI-Funktionen. Ein Partner im »KI-PREDICT« Projekt ist Rolf Slatter, seit 2009 Geschäftsführer der Sensitec GmbH. Sensitec ist ein Weltmarktführer für hochwertige und innovative magnetische Sensorlösungen. Im Interview erklären Matthias Völker, Markus Stahl-Offergeld und Rolf Slatter das Projekt und ihre Zusammenarbeit.

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Rasenmäh-Roboter sind nur begrenzt »schlau«: Bislang brauchen sie nach wie vor ein Begrenzungskabel, um nicht doch versehentlich den Rasen des Nachbargrundstücks mit einzukürzen. Mit Edge AI soll es möglich werden, Rasenmäher, Sensoren oder andere Endgeräte mit Künstlicher Intelligenz zu versehen – und zwar ohne die ermittelten Daten für die Intelligenz-Leistung an eine Cloud schicken zu müssen. Vielmehr sitzt die »Schlauheit« im Endgerät selbst. Dies kann jedoch in vielen Fällen nur mit äußerst energieeffizienten Spezial-Chips funktionieren, leistungsfähige Mikrocontroller-Chips sind oft ungeeignet: Sie verbrauchen zu viel Energie.

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Bei der Entwicklung digitaler Medizin legt das Fraunhofer IIS den Fokus auf die Verlaufskontrolle von chronisch Kranken. Dieses Know-how kam in der Pandemie zwei Projekten im Fraunhofer-Anti-Corona-Programm zugute: der Pandemie-Management-App für Gesundheitsämter und der Konzeption eines mobilen Überwachungssystems für COVID-19-Erkrankte auf Normalstationen.

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Edge AI soll die künstliche Intelligenz dorthin verlagern, wo sie gebraucht wird: In die Endgeräte. Dafür dürfen die Berechnungen jedoch nicht zu viel Energie verschlingen. In den ECSEL Projekten ANDANTE und TEMPO bringen Forscherinnen und Forscher des Fraunhofer IIS diese Zukunftstechnologie voran – mit der Entwicklung entsprechender Chips, Algorithmen und Tools.

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Prof. Ute Schmid leitet seit Januar 2020 die Projektgruppe Erklärbare KI (EKI). Zusammen mit ihrem Team erforscht sie, wie Nutzer maschinelles Lernen verstehen können.

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Prof. Ute Schmid, Gruppenleiterin der Projektgruppe Erklärbare KI und Professorin an der Universität Bamberg, und Dominik Seuß, Gruppenleiter der Gruppe »Intelligente Systeme« und Leiter im Geschäftsfeld Bildanalyse und Mustererkennung schildern im Interview, dass immer mehr Anwendungen und Einsatzgebiete von KI entstehen, und erklären, warum der Mensch Transparenz und Nachvollziehbarkeit von KI braucht.

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Manche Dinge kann man nur Hand in Hand bewältigen: So auch die Entwicklung von Chips, Algorithmen und Hardware, um künstliche Intelligenz direkt in die Endgeräte zu integrieren. Man spricht dabei auch von »Edge AI«.  Warum ihre Zusammenarbeit auf dem Gebiet Egde AI so fruchtbar ist und inwiefern auch die Internationalität Vorteile bringt, erläutern Marco Breiling, Chief Scientist im Forschungsbereich Kommunikationssysteme am Fraunhofer IIS, und Dr. Loreto Mateu, Gruppenleiterin im Forschungsbereich Smart Sensing and Electronics des Fraunhofer IIS.

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