Zusammen mit Lufthansa Technik (LHT) hat das ZAL im Rahmen des Projektes HOPEKI (LuFo 6.1) erforscht, wie die Herzfrequenz von Passagieren und der Crew während eines Fluges kontaktlos gemessen werden kann, um so die Sicherheit an Board weiter zu verbessern.
Optische Verfahren sind eine Möglichkeit zur Messung der Herzfrequenz. Diese Verfahren werden z.B. bei Smart Watches eingesetzt. Dahinter steckt folgendes Prinzip: Durch das Schlagen des Herzens wird eine pulsatiler Blutfluss in den Gefäßen erzeugt, d.h. es kommt zu einer Veränderung des Blutvolumens in den Gefäßen und Kapillaren. Diese, bei jedem Herzschlag verursachten Änderungen des Blutvolumens, erzeugen optisch wahrnehmbare Veränderungen in den oberen Hautschichten. Dadurch wird – je nach Menge des in den Gefäßen oder Kapillaren vorhandenen Blutes – entsprechend mehr oder weniger Licht von der Hautoberfläche absorbiert bzw. reflektiert. Diese Veränderungen können nun durch optische Sensoren erfasst werden. Durch eine nachfolgende Signalanalyse kann aus den zeitlichen Veränderungen dieses Signals die Herzfrequenz ermittelt werden.
Das Ziel war es nun, dass bei einer Smart Watch (oder auch bei medizinischen Geräten) genutzte optische Messprinzip kontaktlos zu machen. Dazu wurde eine Kamera genutzt, um die auf der Hautoberfläche sichtbaren Veränderungen, welche durch den pulsatilen Blutfluss verursacht werden, zu erfassen. Die kamerabasierte Messung erfolgte dabei im Gesicht, da hier die Haut in den meisten Fällen gut sichtbar ist. Zur Bestimmung der Herzfrequenz waren nun unterschiedliche Verarbeitungsschritte notwendig. Nach einer Gesichtsdetektion wurden bestimmte Regionen innerhalb des Gesichtes, die besonders gut durchblutet sind, automatisch extrahiert. Innerhalb dieser Regionen wurde dann ein mittler Farbwert festgelegt. Dieser Farbwert wurde für jedes Bild aus einem kontinuierlichen Videostream (ca. 20 Bilder pro Sekunde) bestimmt. Durch Analyse der zeitlichen Veränderungen dieses Farbwertes konnte die Herzfrequenz ermittelt werden.
Als Ergebnis konnte gezeigt werden, dass mit einer günstigen Kamera und vergleichsweise wenig Rechenleistung eine kontaktlose Messung der Herzfrequenz innerhalb des Flugzeuges in Echtzeit möglich ist. Für die praktische Untersuchung wurde die Kamera samt Recheneinheit dafür im Bereich oberhalb der Passagiersitze integriert. Die Messung der Herzfrequenz war sowohl bei unterschiedlichen Lichtbedingungen als auch bei (leichten) Kopfbewegungen möglich. Herausforderungen bestanden etwa bei starken Bewegungen des Kopfes, Helligkeitsschwankungen oder Verdeckungen des Gesichts bspw. durch einen Mund-Nasen-Schutz. Die Vibrationen, welche in einem realen Flug durch die Triebwerke verursacht werden und sich auch auf die Kamera und den Passagier übertragen, haben keinen negativen Einfluss auf dieses Messprinzip bzw. die Ergebnisse.
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Dr.-Ing. Johannes Passand
Technical Manager Electronic Cabin Systems
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