Grundkenntnisse der SWIR-Technologie (Kurzwellen-Infrarot) in der biologischen Sensorik

Was ist SWIR? Die Grundlagen der Kurzwellen-Infrarot-Technologie

Kennen Sie „SWIR (kurzwelliges Infrarot)? SWIR bezeichnet kurzwelliges Licht im Infrarotspektrum. Diese Technologie, ausgesprochen „Swire“, findet heute Anwendung in verschiedenen Bereichen unseres täglichen Lebens. Dieser Artikel erläutert die Grundlagen und praktischen Anwendungen von SWIR, einer Art Infrarotlicht.

Infrarotlicht bezeichnet elektromagnetische Wellen mit Wellenlängen, die länger als sichtbares Licht, aber kürzer als die in Mikrowellenherden verwendeten sind. Das menschliche Auge erkennt längere Wellenlängen zwar als rotes Licht, die Obergrenze liegt jedoch bei 760–830 nm. Elektromagnetische Wellen jenseits dieser Wellenlänge können nicht als Licht wahrgenommen werden. Daher werden sie als „Infrarot“ (Infrarot) bezeichnet, was „außerhalb des roten Bereichs des sichtbaren Lichts“ bedeutet.

Infrarotlicht wird nach Wellenlängenbereich in Nahinfrarot (NIR: 780–2500 nm), Mittelinfrarot (MIR: 2500–4000 nm) und Ferninfrarot (FIR: 4000–1 mm) eingeteilt. SWIR (900–1700 nm), das in diesem Artikel erläutert wird, bezeichnet einen Teil des Nahinfrarotbandes. Die folgende Abbildung zeigt die Position von SWIR im elektromagnetischen Spektrum.
Referenz: Was ist SWIR? | Edmund Optics

Grundlegende und optische Eigenschaften von SWIR

Licht bewegt sich im Vakuum, wie im Weltraum, geradlinig. Trifft es jedoch auf Substanzen wie Wasser oder Luft, zeigt es verschiedene Verhaltensweisen wie Absorption, Transmission, Reflexion und Streuung. Trifft Licht auf ein Material, das hochtransparent ist, durchdringt es das Material und tritt wieder aus. Bei der Transmission wird ein Teil des Lichts vom Material absorbiert und in Wärmeenergie umgewandelt (Absorption). Ist die Oberfläche des Materials glatt wie ein Spiegel, wird ein Teil des Lichts reflektiert (Reflexion), während das Licht bei einer unebenen Oberfläche in verschiedene Richtungen gestreut wird (Streuung).
Unsere Augen erkennen Farben und Formen aller Dinge durch dieses „durchgelassene Licht“, „reflektierte Licht“ und „gestreute Licht“.

Dieses Lichtverhalten zeigt je nach Wellenlänge charakteristische Veränderungen für jede Substanz. Beispielsweise ist Silizium für sichtbares Licht undurchlässig, im SWIR Bereich jedoch transparent. Umgekehrt können einige Glasarten sichtbares Licht durchlassen, spezifisches Infrarotlicht jedoch nur schlecht. Durch die Nutzung dieser materialspezifischen optischen Eigenschaften sind verschiedene Messungen und Analysen möglich.

Praktische Anwendungen der SWIR-Technologie

• Implementierung drahtloser Kopfhörer
  Die hohe Wasserabsorptionseigenschaft von SWIR wird in Sensoren zur Trageerkennung für kabellose Ohrhörer genutzt. Neuere kabellose Ohrhörer sind mit Näherungssensoren ausgestattet, die Objekte ohne direkten Kontakt erkennen können und dabei SWIR-Technologie nutzen. Die Näherungssensoren in kabellosen Ohrhörern erzeugen SWIR bei etwa 1300 nm. Ein Teil des in die Haut eindringenden Streulichts wird vom Wasser absorbiert, und das gedämpfte Licht kehrt zum Sensor zurück. Durch Messung dieser Dämpfung kann der Sensor erkennen, ob die kabellosen Ohrhörer Kontakt mit biologischem Gewebe haben. Dies ermöglicht Funktionen wie das automatische Ausschalten beim Ablegen auf einem Tisch und das Einschalten nur beim Tragen im Ohr.
  
• Anwendungen zur Lebensmittelinspektion
  SWIR-Technologie ist ein unverzichtbares Werkzeug für zerstörungsfreie Prüfungen in der Lebensmittelqualitätskontrolle. Beispielsweise ermöglicht die hohe Wasser- und Zuckerempfindlichkeit von SWIR bei der Messung des Zuckergehalts von Früchten die Messung des inneren Zuckergehalts, ohne die Früchte zu beschädigen. Dies hilft, den optimalen Erntezeitpunkt zu bestimmen und Früchte nach ihrem Süßegrad zu sortieren. Darüber hinaus können Kameras mit SWIR Licht in Produktionslinien von Lebensmittelfabriken Fremdkörper wie Plastik- und Papierstücke hochpräzise erkennen, die mit sichtbarem Licht nur schwer zu erkennen sind.
  
• Anwendungen für medizinische Geräte
  SWIR Technologie fördert die Entwicklung von Pulsoximetern, die eine genauere Messung von Blutbestandteilen ermöglichen. Pulsoximeter sind medizinische Geräte, die den Blutsauerstoffgehalt mithilfe von Sensoren, die an Fingern oder Ohrläppchen befestigt werden, nicht-invasiv messen. Typischerweise liegt die Blutsauerstoffsättigung gesunder Menschen zwischen 95 und 100 %.
  
  Herkömmliche Pulsoximeter verwenden zwei verschiedene Wellenlängen des Lichts zur Messung der Blutsauerstoffsättigung (SpO2):
  
  ・ Rotes Licht: ca. 660 nm
  ・ Infrarotlicht: ca. 940 nm
  
  Mit diesen Wellenlängen konnte Carboxyhämoglobin (COHb) jedoch nicht nachgewiesen werden. Eine Kohlenmonoxidvergiftung muss frühzeitig erkannt werden, da sie schwere gesundheitliche Schäden verursachen kann.
  
  Carboxyhämoglobin (COHb) weist ein charakteristisches Absorptionsspektrum im SWIR Bereich von 1500–1700 nm auf und kann daher mittels SWIR Technologie gemessen werden. Seit kurzem werden SWIR-basierte Pulsoximeter in US-amerikanischen medizinischen Einrichtungen zur Diagnose von Patienten mit Verdacht auf Kohlenmonoxidvergiftung eingesetzt.

Zukünftiges Potenzial der SWIR-Technologie im Gesundheitswesen

Aktuelle Entwicklungen in den Bereichen Medizin und Gesundheitswesen konzentrieren sich auf SWIR Technologie zur Vitalerfassung, wobei Fortschritte bei der Miniaturisierung und Empfindlichkeit die Integration in tragbare Geräte ermöglichen.

• Nicht-invasive Blutzuckermessung
  SWIR dringt in die Haut ein und wird von Glukosemolekülen im Blut absorbiert. Dies ermöglicht die Entwicklung einer nadelfreien Blutzuckermesstechnologie und bietet potenzielle Vorteile für die Blutzuckerüberwachung von Diabetespatienten.
  
• Visualisierung des subkutanen Gewebes
  Mithilfe von Übertragungseigenschaften können SWIR Kameras subkutane Blutgefäße und Gewebezustände nicht-invasiv beobachten und so möglicherweise die Genauigkeit intravenöser Injektionen und die Früherkennung von Hautkrebs verbessern.
  
• Vitalüberwachung tragbarer Geräte
  Smartwatches und -ringe mit SWIR Technologie ermöglichen die kontinuierliche Überwachung von Vitalfunktionen wie beispielsweise dem Sauerstoffgehalt im Blut.
  
• Hochpräzise Vitalzeichenmessung
  Moderne SWIR-Sensoren ermöglichen präzisere Messungen der Vitalfunktionen als herkömmliche Methoden. Durch die Erkennung von Veränderungen biologischer Substanzen und des Blutflusses könnten diese Sensoren künftig möglicherweise Stresslevel und den Zustand des autonomen Nervensystems messen.

Es wird erwartet, dass SWIR-Technologie künftig noch mehr Anwendungsmöglichkeiten im Bereich medizinischer Geräte und im Gesundheitswesen finden wird, und es werden weitere Entwicklungen erwartet.

Dexerials bietet 14 Arten von SWIR-Reflexionssensoren für medizinische Geräte an, darunter Pulsoximeter und tragbare Geräte mit Vitalsensortechnologie.

Dank unserer langjährigen Erfahrung unterstützen wir Sie gerne bei Fragen zur Geräteminiaturisierung, Leistungssteigerung und Kostensenkung durch SWIR Technologie. Kontaktieren Sie uns für eine Beratung.