USB-Mikroskop als PPG-Sensor

Lernziele

• SuS können ein alternatives Messsetup mit USB-Mikroskop aufbauen
• SuS verstehen Vorteile kontrollierter Beleuchtung
• SuS können Live-Videostream in Python verarbeiten
• SuS können verschiedene Körperstellen auf Signalqualität vergleichen

Warum ein USB-Mikroskop?

In den vorherigen Lektionen haben wir mit dem Smartphone experimentiert. Das hat gut funktioniert, aber es gibt einige Limitationen:

• Ungleichmässige Beleuchtung durch den Blitz
• Schwierige Positionierung des Fingers
• Keine präzise Kontrolle über die Aufnahmequalität

Ein USB-Mikroskop bietet uns mehrere Vorteile:

Kontrollierte Beleuchtung: Die meisten USB-Mikroskope haben eingebaute LED-Beleuchtung, die konstant und gleichmässig ist – genau wie bei professionellen Pulsmessern.

Stabile Positionierung: Das Mikroskop steht fest auf dem Tisch, der Finger kann entspannt aufgelegt werden.

Bessere Bildqualität: Durch die Nahaufnahme sehen wir die Hautstruktur detaillierter, was zu einem klareren PPG-Signal führen kann.

Experimenteller Aufbau

Hardware-Setup

1. USB-Mikroskop anschliessen: Verbindet das Mikroskop mit eurem Computer
2. Positionierung: Stellt das Mikroskop so auf, dass ihr die Fingerkuppe oder das Ohrläppchen scharf sehen könnt
3. Beleuchtung: Aktiviert die LED-Beleuchtung des Mikroskops
4. Abstand: Experimentiert mit verschiedenen Abständen – die Haut soll gut ausgeleuchtet, aber nicht überbelichtet sein

Tipp: Beste Körperstellen

• Fingerkuppe: Gute Durchblutung, einfach zu positionieren
• Ohrläppchen: Sehr dünne Haut, starkes Signal
• Handgelenk: Wie bei einer Smartwatch, aber schwieriger zu messen

Software-Vorbereitung

Wir benötigen OpenCV für die Kamera-Kommunikation:

import cv2
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from scipy.signal import butter, filtfilt
import time

Installation

Falls OpenCV noch nicht installiert ist:

pip install opencv-python

Live-Videostream verarbeiten

Kamera initialisieren

PPG-Daten sammeln

Jetzt sammeln wir systematisch die Rotwerte für unser PPG-Signal:

Signalverarbeitung und Pulsberechnung

Verwenden wir dieselben Techniken wie in Lektion 3:

Vergleich verschiedener Körperstellen

Jetzt testen wir systematisch verschiedene Messstellen:

Diskussion und Verbesserungen

Reflexionsfragen

1. Welche Körperstelle lieferte das klarste Signal?
2. Warum könnten manche Stellen besser funktionieren als andere?
3. Wie unterscheidet sich die Signalqualität vom Smartphone-Setup?

Faktoren für Signalqualität

Anatomische Faktoren:

• Durchblutung: Fingerkuppen und Ohrläppchen haben viele kleine Blutgefässe
• Hautdicke: Dünne Haut lässt mehr Licht durch
• Bewegung: Ruhigere Körperteile geben stabilere Signale

Technische Faktoren:

• Beleuchtungsstärke: Konstante LED vs. schwankender Smartphone-Blitz
• Abstand: Optimaler Fokus für beste Lichtausbeute
• Aufnahmequalität: Höhere Bildrate = bessere Zeitauflösung

Verbesserungsvorschläge

• Infrarot-LED: Dringt tiefer in die Haut ein
• Mehrere Wellenlängen: Kombination aus rotem und infrarotem Licht
• Bewegungskompensation: Algorithmen zur Erkennung von Bewegungsartefakten
• Längere Messung: 60+ Sekunden für stabilere FFT-Ergebnisse

Code-Erweiterungen für Fortgeschrittene

Aufgaben

Basis-Aufgaben:

1. Führt Messungen an mindestens zwei verschiedenen Körperstellen durch
2. Vergleicht die Herzfrequenz mit manueller Pulsmessung (15 Sek × 4)
3. Dokumentiert, welche Stelle das beste Signal liefert

Erweiterte Aufgaben:
4. Testet verschiedene Beleuchtungsstärken am Mikroskop
5. Experimentiert mit verschiedenen Abständen zur Haut
6. Implementiert eine Live-Anzeige der aktuellen Herzfrequenz

Für Profis:
7. Versucht die Peak-Detection zu verbessern
8. Implementiert eine einfache Bewegungserkennung
9. Vergleicht euer System mit einer Smartwatch oder Fitness-App

Fazit

Das USB-Mikroskop bietet uns eine stabilere und kontrollierbarere Plattform für PPG-Messungen als das Smartphone. Die konstante LED-Beleuchtung und die feste Positionierung führen zu klareren Signalen und zuverlässigeren Messungen.

Wichtige Erkenntnisse:

• Verschiedene Körperstellen haben unterschiedliche Signalqualität
• Kontrollierte Beleuchtung ist entscheidend für gute PPG-Messungen
• Die richtige Positionierung und Ruhe des Messsubjekts sind kritisch

In der nächsten Lektion werden wir uns ansehen, wie wir unser System weiter verbessern und professionellere Algorithmen implementieren können.