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Synergie zwischen Signalverarbeitung und Mobilkommunikation

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Die Methoden der Signalverarbeitung haben wesentlich zur technologischen Entwicklung der Mobilkommunikation beigetragen. Umgekehrt sind die Anwendungen der Signalverarbeitung dank der Fortschritte bei der drahtlosen Kommunikation deutlich vielfältiger geworden. Wir stellen einige Anwendungen vor, um diese Synergien und das grosse innovative Potenzial aufzuzeigen.

Am Institut for Mobile Communications suchen und entwickeln wir neuartige Verfahren und Methoden, um das Gebiet der mobilen Anwendungen stets zu erweitern. Deshalb wurde das Team des Instituts kürzlich durch Dr. Rolf Vetter verstärkt. Während 11 Jahren war er am CSEM (Centre Suisse d’Electronique et de Microtechnique) als Experte für Signalverarbeitung und biomedizinisches Engineering tätig. Er hat namentlich zur Entwicklung neuer Lösungen in den Bereichen des Monitoring und Telemonitoring von physiologischen Parametern sowie der Sprachverarbeitung beigetragen. Diese Entwicklungen waren nur aufgrund der rasanten Fortschritte im Bereich der Mobilkommunikation möglich, sei dies im Handy-Bereich oder bei der Satelliten-Telefonie.

Abb. 1: Smartphone-Applikation für Herzrhythmus-Messungen am Ohr (Bilder CSEM) Foto: CSEM

Herzrhythmus auf dem Smartphone

Im Sport haben das Handy und insbesondere die Smartphones mit ihren grafischen Benutzeroberflächen dem Monitoring physiologischer Parameter einen neuen Aufschwung verliehen. Die klassischen Monitore, die man in Form einer Uhr am Handgelenk trägt, haben meist ein beschränktes Benutzerinterface. Die Smartphones eröffnen neue Horizonte: Einerseits ermöglichen sie mit ihren visuellen Interfaces eine bisher unerreichte Qualität der Analyse, andererseits können die Nutzer über Kopfhörer Audio- Feedbacks mit relevanten Informationen erhalten. Am CSEM wurde kürzlich eine innovative Anwendung vorgestellt, bei welcher diese Trümpfe voll zum Tragen kommen. Die vorgeschlagene Methode misst den Herzrhythmus mit einem Infrarot-Signal am Ohr (Abb. 1). Der Infrarot-Sensor ist direkt in die Kopfhörer integriert und der Benutzer kann sich so ganz dem sportlichen Vergnügen im Rhythmus der Musik hingeben. Ein Brustgurt, der oft als einengend empfunden wird, fällt somit weg. Doch nur mit den Methoden der Signalverarbeitung lässt sich der Herzrhythmus mittels Infrarot-Signalen zuverlässig ermitteln. Ein adaptiver Algorithmus, der die Informationen eines in die Kopfhörer eingebauten Beschleunigungsmessers verwendet, reduziert die Störsignale der Bewegung auf ein tolerierbares Niveau. Indem die Kommunikationsmöglichkeiten des Smartphones genutzt werden, kann der ermittelte Herzrhythmus in kürzester Zeit übermittelt werden, z.B. um von einem Trainer spezifische Ratschläge zu erhalten oder um Freunde in einem sozialen Netzwerk im Internet zu benachrichtigen.

Abb. 2: Analyse lebenswichtiger Parameter während einer 35-tägigen Expedition im Tibet. Die rot und blau unterlegten Zonen bezeichnen zwei physiologisch wichtige Phasen bei der Höhenakklimation: rot, die Aufstiegsphasen; blau, die Ruhephasen. (Klicken zum Vergrössern - Quelle CSEM)

Telemonitoring

Auf einem anderen Gebiet hat die Synergie zwischen Telekommunikation und Signalverarbeitung ebenfalls neue Anwendungsmöglichkeiten eröffnet: bei den Expeditionen im Hochgebirge (über 4000 m), z.B. im Himalaya. Wenn sich ein Mensch über längere Zeit in extremer Höhe aufhält, verändern sich die physiologischen Parameter. Erfolgt der Höhenaufstieg zu rasch, kann sich der Körper nicht genügend schnell anpassen, was zu massiven physiologischen Störungen führen kann, manchmal mit tödlichen Folgen. Das CSEM hat ein portables Gerät entwickelt, das den Umgang mit der Akklimatisierung in grosser Höhe erleichtert, und zwar mit medizinischer Überwachung auf Distanz. Drei physiologische Parameter werden mittels Rot- und Infrarotsignalen an einem Finger oder an der Stirn erhoben, wobei Techniken der Signalverarbeitung angewendet werden: der Herzrhythmus (HR), die partielle Sauerstoffsättigung des Blutes (SpO2) sowie ein Indikator des autonomen Nervensystems (SNA) (Abb. 2). Diese Daten werden im portablen Gerät gespeichert, um sie dann sobald als möglich über ein Satellitentelefon an ein medizinisches Analysezentrum, z.B. in der Schweiz, zu senden. Der Arzt kann so die gesundheitliche Entwicklung eines Expeditionsteilnehmers aus der Ferne überwachen. Falls aufgrund der erhaltenen Signale Probleme erkannt werden, kann er die nötigen Massnahmen via Satellitentelefon in den Himalaya übermitteln.

Spracherhebung für beidohrige Hörprothesen

Die drahtlose Kommunikation und die Signalverarbeitung bringen einen Mehrwert auch im Bereich der binauralen oder beidohrigen Hörprothesen – der Nutzer hat also in beiden Ohren eine Hörprothese. Damit die beiden Prothesen Informationen austauschen können, sind sie über drahtlose Kommunikation miteinander verbunden. Diese spezielle Konfiguration, nämlich die simultane Verarbeitung der Informationen aus beiden Ohren, kann dank Methoden der modernen digitalen Signalverarbeitung genutzt werden, um das Sprachverständnis zu verbessern. Die Qualität ist in diesem Fall besser, als wenn die Algorithmen in jedem Ohr unabhängig ausgeführt werden. Jedoch hängen die erreichbaren Leistungen unter anderem von der algorithmischen Komplexität und von der Kapazität des Übertragungskanals ab. Die beste Leistung in Bezug auf Energieverbrauch, Autonomie und besseres Sprachverständnis kann nur erreicht werden, wenn wir die Synergien zwischen Mobilkommunikation und Signalverarbeitung optimal nutzen. Die aufgezeigten Beispiele zeigen, dass die Forschungsmethoden in den Bereichen Signalverarbeitung und Mobilkommunikation eng miteinander verknüpft sind und sich wechselseitig zur Entwicklung innovativer Technologien anregen. Die Verstärkung des Institute for Mobile Communications durch einen Spezialisten für angewandte Signalverarbeitung könnte in den beiden Gebieten als Katalysator wirken und das Spektrum der Forschungstätigkeiten des Instituts erweitern.

Institute for Mobile Commuinications