Vom Prototyp zum Produkt Offene Plattformen sollen Ultraschall-Wearables aus dem Labor holen

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Tragbare Ultraschallsysteme können Bewegungen von Herz, Gefäßen oder Muskeln über längere Zeit erfassen. Viele Entwicklungen kommen jedoch nie über das Laborstadium hinaus. Forschende aus Freiberg, Zürich und Bologna plädieren deshalb für offene Plattformen, auf denen sich laborübergreifend unterschiedliche Anwendungen entwickeln und vergleichen lassen.

Ultraschallpflaster, wenige Zentimeter groß und auf die Haut geklebt, erfassen Vorgänge, die Fitnesstrackern und Smartwatches verborgen bleiben. Während optische Sensoren oberflächennahe Veränderungen registrieren und Elektroden elektrische Signale an der Haut ableiten, liefert Ultraschall Informationen aus tiefer liegenden Gewebestrukturen wie Muskeln, Gefäßwänden oder dem Herzen. Viele Systeme befinden sich jedoch noch im Forschungsstadium. Christian Kupsch von der TU Bergakademie Freiberg und seine Koautoren fragen daher in „Nature Sensors“ nicht ohne Grund, wie sich aus diesen Prototypen praktisch nutzbare Produkte entwickeln lassen.

Ihr dreiseitiger „Lab to Fab“-Beitrag ist keine Studie, sondern eher ein Plädoyer [1,2]. Kupsch zufolge sind die technischen Grundlagen zwar vorhanden. Dennoch „schaffen viele vielversprechende Demonstratoren den Sprung aus dem Labor in die praktische Anwendung nicht“, sagt der Sensorforscher. Ursächlich sei aus Sicht von Kupsch und seine Mitautoren nicht zuletzt das Fehlen offener Entwicklungsplattformen. Dieser Umstand bremst: Wer eine neue medizinische Anwendung erproben will, muss häufig zuerst das passende Ultraschallsystem bauen [1].

Praxisgerät schrumpft auf wenige Zentimeter

Ein Ultraschall-Wearable übernimmt auf kleinem Raum Aufgaben eines erheblich größeren Geräts aus der Arztpraxis. Sein Schallwandler sendet Ultraschallimpulse in den Körper und fängt die Echos auf. Elektronik verstärkt und digitalisiert die schwachen Signale; Prozessoren werten sie aus oder übertragen Daten drahtlos. Das alles muss mit einer kleinen Batterie funktionieren und über Stunden zuverlässig an der Haut sitzen.

Mehr getrennt ansteuerbare Elemente im Schallwandler ermöglichen detailliertere Messungen und Bildgebungsverfahren. Mit der Zahl der Kanäle steigen Datenmenge, Rechenaufwand und Energiebedarf. Die Entwickler legen fest, ob das Wearable selbst Daten verarbeitet oder Rohdaten an ein externes Gerät sendet. Auch Einzelimpulse und codierte Impulsfolgen unterscheiden sich bei Messtiefe, Signalqualität und Rechenbedarf [2,3].

Mehrzweckplattform statt Einzelanfertigung

Offene Plattformen bündeln Funktionen in austauschbaren Hard- und Softwaremodulen. Schallwandler, Elektronik und Auswerteverfahren lassen sich für unterschiedliche Anwendungen zusammenstellen. Beispiel „WULPUS“: Die 2022 veröffentlichte Version misst 46 mal 25 Millimeter, wiegt 13 Gramm und benötigt weniger als 25 Milliwatt [4]. Acht Kanäle werden nacheinander ausgelesen und die Rohdaten via Bluetooth an ein externes Gerät übermittelt. Die aktuelle Entwicklerdokumentation beziffert den Energiebedarf im Rohdatenmodus auf 22 Milliwatt. Eine kleine Batterie genügt für einen mehrtägigen Betrieb.

„TinyProbe“ setzt mit 32 Sende- und Empfangskanälen auf eine aufwendigere Bildgebung als WULPUS. Die Plattform kann zweidimensionale Ultraschallbilder erzeugen und Blutströmungen per Doppler erfassen. Die größeren Datenmengen gelangen über WLAN an ein externes Gerät. Im Bildgebungsbetrieb benötigt TinyProbe knapp ein Watt; mit einer kleinen Batterie sind damit mehrere Stunden Betrieb möglich [5]. Bei „ModulUS“ steht die Anpassungsfähigkeit im Vordergrund. Die Entwickler haben Sendeelektronik, Empfangsstufe, Digitalisierung und Verarbeitung auf vier Platinen verteilt. Einzelne Baugruppen lassen sich dadurch wechseln, ohne das gesamte System neu aufzubauen [6].

Zwölf Stunden Messung in Bewegung

Was tragbarer Ultraschall bereits leisten kann, zeigt ein System der University of California San Diego. Das vollständig integrierte Wearable erfasste physiologische Signale aus Gewebetiefen von bis zu 164 Millimetern. Während sich die Versuchspersonen bewegten, überwachte es bis zu zwölf Stunden lang den zentralen Blutdruck, die Herzfrequenz und das Herzzeitvolumen, mit anderen Worten die Blutmenge, die das Herz pro Minute in den Kreislauf pumpt. Maschinelles Lernen half dem System, die untersuchten Gewebestrukturen trotz der Bewegung im Blick zu behalten und die Messdaten auszuwerten. Die Arbeit erschien 2023 online und 2024 gedruckt in „Nature Biotechnology“ [7].

Für den Einsatz im Alltag lang ein funktionierender Prototyp nicht hin. Das Pflaster muss über Stunden auf der Haut halten, ohne sie zu reizen. Bei Bewegung darf der Kontakt nicht abreißen, sonst verliert das System sein Ultraschallsignal. Zugleich müssen die Entwickler die erfassten Gesundheitsdaten schützen und in klinischen Prüfungen zeigen, dass das Gerät sicher ist und verlässlich misst. Kupsch richtet den Blick daher auf das Zusammenspiel der Bauteile: „Wir müssen verstehen, wie Wandler, Elektronik, Signalverarbeitung, Kommunikation und die jeweilige Anwendung als Gesamtsystem zusammenwirken.“ Aus guten Einzelteilen allein wird noch kein tragbares Medizinprodukt.

Quellen

[1] Konstantinidis P. Ultraschall-Wearables: Wie aus Forschungsprototypen praktische Systeme werden können [Internet]. Freiberg: TU Bergakademie Freiberg; 2026 Aug 31 [zitiert 2026 Sep 1]. Verfügbar unter: https://nachrichten.idw-online.de/2026/08/31/ultraschall-wearables-wie-aus-forschungsprototypen-praktische-systeme-werden-koennen
[2] Kupsch C, Leitner C, Benini L, Weik D. Translating wearable ultrasound with system integration and enabling technologies. Nat Sens. 2026 Aug 24. doi: 10.1038/s44460-026-00118-z.
[3] Weik D, Nauber R, Kaiser E, Kirsch N, Kunz R, Schierling L, et al. Current trends in ultrasound wearables: spotlight on system architecture. IEEE Rev Biomed Eng. 2026. doi: 10.1109/RBME.2026.3664011.
[4] Frey S, Vostrikov S, Benini L, Cossettini A. WULPUS: a wearable ultra-low-power ultrasound probe for multi-day monitoring of carotid artery and muscle activity. In: 2022 IEEE International Ultrasonics Symposium. Piscataway: IEEE; 2022. p. 1–4. doi: 10.1109/IUS54386.2022.9958156. Technische Dokumentation: https://github.com/pulp-bio/wulpus
[5] Vostrikov S, Tille J, Benini L, Cossettini A. TinyProbe: a wearable 32-channel multimodal wireless ultrasound probe. IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control. 2025;72(1):64–76. doi: 10.1109/TUFFC.2024.3496474.
[6] Leitner C, Giordano M, Tanner M, Villani F, Magno M, Benini L. ModulUS: a sandbox for high-resolution wearable ultrasound development. In: 2025 IEEE International Ultrasonics Symposium. Piscataway: IEEE; 2025. p. 1–4. doi: 10.1109/IUS62464.2025.11201551.
[7] Lin M, Zhang Z, Gao X, Bian Y, Wu RS, Park G, et al. A fully integrated wearable ultrasound system to monitor deep tissues in moving subjects. Nat Biotechnol. 2024;42(3):448–457. Online veröffentlicht 2023 Mai 22. doi: 10.1038/s41587-023-01800-0.