Es wurde eine neue Technologie entwickelt, die eine manschettenlose, nicht-invasive Blutdrucküberwachung ermöglicht, indem Ultraschall verwendet wird, um Änderungen des Gefäßdurchmessers in Echtzeit zu verfolgen – ohne dass eine herkömmliche Manschette erforderlich ist. Es wird erwartet, dass die Technologie als Kernkomponente zukünftiger tragbarer Gesundheitsgeräte und intelligenter medizinischer Überwachungsplattformen dienen wird.
Ein Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Shin Hur am Korea Institute of Machinery and Materials (KIMM, Präsident Seog-Hyeon Ryu), darunter Syed Turab Haider Zaidi, ein studentischer Forscher der UST-KIMM School am KIMM, hat in Zusammenarbeit mit Dr. Byung-Chul Lees Team am Korea Institute of Science and Technology (KIST) den weltweit ersten an der Haut anbringbaren, nichtinvasiven Blutdrucksensor entwickelt, der PMN-PT-Einkristall-Piezoelektrikum verwendet Verbundwerkstoffe, die durch einen Niedertemperatur-Lötprozess integriert werden.
Das Team wandte eine beidseitige Niedertemperatur-Lötverbindungstechnik mit SnBi (Zinn-Wismut) an, um leistungsstarke piezoelektrische Bauelemente ohne Depolarisation auf einem flexiblen Substrat zu integrieren. Sie entwarfen und fertigten ein Ultraschallwandler-Array (UTA) mit 5×4-Array-Struktur. Der Ultraschallstrahl dieses Sensors dringt in die Haut ein, erkennt von den Gefäßwänden reflektierte Signale und misst Veränderungen im Gefäßdurchmesser. Mithilfe dieses Prinzips misst es in Echtzeit die Änderungen des Blutgefäßdurchmessers, die dem systolischen und diastolischen Blutdruck entsprechen, und berechnet daraus Blutdruckwerte. Der Sensor basiert auf einem flexiblen Polyimid (PI)-Substrat mit einer Parylene-C-Verkapselungsschicht, haftet sicher auf der menschlichen Haut und behält eine Gesamtdicke von weniger als 0,5 mm und ein Gewicht von weniger als 1 g bei, was eine langfristige Tragbarkeit gewährleistet.
Der Sensor sendet Ultraschall, der von PMN-PT-Einkristall-1–3-Kompositen erzeugt wird, in Blutgefäße, analysiert die reflektierten Echos, um den Gefäßdurchmesser zu messen und den Blutdruck zu berechnen. Um die akustischen Ausbreitungs- und Reflexionseigenschaften zu optimieren, führte das Team multiphysikalische Simulationen mit COMSOL durch. Das beidseitige Niedertemperatur-Lötverfahren (unter 150 °C) verhindert die häufig bei bleibasierten piezoelektrischen Geräten beobachtete thermische Depolarisation und gewährleistet so ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) und eine starke elektrische Verbindungszuverlässigkeit, ohne dass eine Hochtemperaturverarbeitung erforderlich ist.
Bestehende optische, manschettenlose Blutdruckmesstechnik ist anfällig für äußere Umweltfaktoren wie Hautfarbe, Bewegung und Licht. Es weist außerdem Einschränkungen auf, da es nur Blutgefäße nahe der Hautoberfläche messen kann, sodass der Blutdruck in tiefen Blutgefäßen nicht gemessen werden kann. Im Gegensatz dazu kann die auf Ultraschall basierende Blutdruckmesstechnik tatsächliche Durchmesseränderungen in tiefen Blutgefäßen unter der Haut direkt messen. Herkömmliche Ultraschallsensoren aus starren PZT-Materialien leiden ebenfalls unter schlechter Tragbarkeit, wohingegen der PMN-PT-Verbund in Kombination mit Niedertemperaturlöten eine konforme Befestigung an gekrümmten Hautoberflächen ohne Leistungsverlust ermöglicht. Die vereinfachte Struktur sorgt für ein hervorragendes SNR ohne akustische Anpassung oder Trägerschichten und verbessert so die Fertigungseffizienz. Der Sensor erreicht eine hohe Genauigkeit (innerhalb von ±4 mmHg), ist flexibel und kann an der Haut befestigt werden, was klare Vorteile gegenüber bestehenden Technologien bietet.
Das Team validierte den Sensor mithilfe eines Gefäßphantoms aus künstlicher Haut. Die gemessenen systolischen und diastolischen Blutdruckwerte wiesen Fehler von ±4 mmHg bzw. ±2,3 mmHg auf – was dem klinischen AAMI-Standard von ±5 mmHg entspricht. Dies stellt einen der höchsten Genauigkeitswerte dar, die für die nichtinvasive Ultraschall-Blutdrucküberwachung gemeldet wurden.
Diese Technologie ist die erste, die eine kontinuierliche, manschettenlose Blutdrucküberwachung mithilfe eines an der Haut anbringbaren Ultraschallsensors demonstriert. In Kombination mit der KI-basierten Blutdruckanalyse wird es sich zu einer zentralen Plattform für die personalisierte Vorhersage von Herz-Kreislauf-Erkrankungen und eine intelligente Gesundheitsversorgung entwickeln.“
Dr. Shin Hur von KIMM
Die Entwicklung dieses nicht-invasiven Blutdrucksensors erfolgte mit Unterstützung des Material- und Komponententechnologieentwicklungsprogramms des Ministeriums für Handel, Industrie und Ressourcen (Projekt: Entwicklung multisensorischer Sensoren für Serviceroboter). Diese Forschung wurde im Januar 2026 unter dem Titel „Skin-Conformal PMN-PT Ultraschallsensor für Cuffless Blood Pressure Sensing via Eutectic Solder Integration“ in Microsystem & Nanoengineering veröffentlicht, das in der Kategorie „Instrumente & Instrumentation“ den ersten Platz belegt (JCR 0,6 %, Impact Factor 9,9, Stand 2024).
Quellen: