TREND MEMS: Die unsichtbaren Ärzte

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Mikroelektromechanische Winzlinge (MEMS) stecken in unzähligen elektronischen Geräten. Für wirklich spektakuläre Anwendungen sorgen sie allerdings mittlerweile in der Medizintechnik.

Elektronik interagiert nicht nur mit uns oder untereinander, auch die Umwelt will sie„erkennen“. Und letzteres schaffen Geräte mit „MEMS inside“ erstaunlich gut. Diese winzigen mikroelektromechanischen Systeme lassen sich mit etablierten Technologien aus der Halbleitertechnik in großen Stückzahlen zu geringen Kosten herstellen. Sicherlich ein wesentlicher Grund für ihren Siegeszug durch weite Bereiche unseres täglichen Lebens. Die Beschleunigungssensoren in unseren Smartphones sind nur ein Beispiel. Daneben taugen sie als künstliche Ohren, Gleichgewichtsorgane oder Haut, und als Nase und Zunge spüren sie sogar Rauch oder Giftstoffe auf. Wer soviel Gutes günstig tut, findet eine Menge Abnehmer.

So glänzte denn auch der MEMS-Markt lange Jahre mit zweistelligem Wachstum. Diese Zeiten sind aber erst einmal vorbei. IHS Markit erwartet für 2017 nur noch ein Plus von fünf Prozent gegenüber dem Vorjahr. Gyroskope, Magnetometer und Co. haben die besten Jahre hinter sich. Zwischen 2007 und 2013 sorgten sie für den größten Boost in der knapp vierzigjährigen MEMS-Geschichte. Aber Smartphone-Verkäufe gehen längst nicht mehr zweistellig durch die Decke. Und Bewegungssensoren sind nicht mehr nur billig, sonder spottbillig. Das sorgt für sinkenden Umsatz trotzt steigender Stückzahlen.

Andere Bereiche dagegen wie etwa Healthcare – eine der größten und am schnellst wachsenden Industrien der Welt – springen dafür nun in die Bresche. Die Zunahme an chronischen Krankheiten, alternde Gesellschaften, aber auch ein steigendes Gesundheitsbewusstsein macht die Medizin zu einem lukrativen Betätigungsfeld. Und erst MEMS macht sie „persönlich“, weil es hilft komplette medizinische Apparate auf Handheld-Größe zu schrumpfen.

So erwarten denn auch die Analysten von Stratistics MRC, dass der Umsatz mit MEMS in medizinischen Geräten ausgehend von 3.12 Milliarden US-Dollar im Jahr 2015 bis 2022 bei einem durchschnittlichen jährlichen Wachstum (CAGR) von 18.7 Prozent auf 10.41 Milliarden US-Dollar steigt.

MEMS für Med-Tech

An Einsatzmöglichkeiten fehlt es jedenfalls nicht. Sie sind so vielfältig wie der Bereich Healthcare selbst:

  1. Schrittzähler
    Die wohl einfachsten MEMS-Anwendung auch im medizinischen Bereich ist der Schrittzähler. Sensoren nehmen dabei jede Bewegung dreidimensional (nach links, nach rechts und nach vorne) auf, um Schritte von anderen „Verrenkungen“ zu unterscheiden. Aus den Daten lassen sich Schrittanzahl, Entfernung, Geschwindigkeit und Kalorien ableiten.
  2. Hörgeräte
    Immer mehr Hersteller setzen auf die MEMS-Mikrofone. Sie sind temperaturbeständig, nehmen hohe Schallpegel in guter Tonqualität auf und unterdrücken Echos. Kombiniert man mehrere MEMS-Mikrofone in einem Hörgerät, lassen sich Geräuschquellen lokalisieren und die räumliche Orientierung für den Träger verbessern. Während MEMS-Mikrofone sich schon vor Jahren erfolgreich am Markt durchgesetzt haben, funktionieren Lautsprecher meist immer noch nach dem Prinzip, das Werner von Siemens 1877 patentierte. Der dieses Jahr vorgestellte MEMS-Lautsprecher vom österreichischen Startup Usound und dem Fraunhofer IDMT kommt dagegen mit der Hälfte des Platzbedarfs und einem Fünftel der Energie ihrer „traditionellen“ Pendants aus. Markteinführung ist für 2018 geplant.
  3. BioMEMS
    Noch kommen Diabetes-Patienten nicht ohne Lanzette und Streifentest aus, um ihren Blutzucker zu bestimmen. Künftig übernehmen das implantierbare Biosensoren. Forscher vom Institut für innovative Mikroelektronik (IHP) entwickelten dafür zum Beispiel ein biomikroelektromechanisches System (BioMEMS) aus einer gegen Körperflüssigkeiten resistenten leitfähigen Titannitrid-Keramik. Mittlerweile gibt es unzählige Entwicklungsprojekte für BioMEMS, die Krankheitserreger selbständig aufspüren oder Medikamente zielgenau abgeben.
  4. Glaukom-Diagnose
    Ein MEMS-Kontaktlinsen-Sensor misst bei Glaukom-Patienten kontinuierlich den Augeninnendruck über die Krümmung des Augapfels und überträgt die Messwerte drahtlos. Das System Sensimed „Triggerfish“ basiert auf einer Kontaktlinse mit einem eingebauten winzigen Dehnmessstreifen. Der drahtlose MEMS-Sensor kommt von ST Microelectronics.
  5. Body Gateway
    Medizinische Plattformen mit MEMS-Sensoren und -Aktoren als Schlüsselelemente erfassen neben Bewegungsdaten auch biologische Signale wie ECG, EKG oder Atemrate und übertragen sie per Bluetooth etwa an ein Smartphone, das sie an einen Healthcare-Server übermittelt. Sensorfusion-Verfahren führen dabei zu wirklich aussagekräftigen Messungen. Etwa wenn die Daten von EKG und Atemmessungen mit den parallel dazu stattfindenden Bewegungsmustern zusammengeführt werden. Integriert in ein Pflaster auf der Brust des Patienten, können solche Sensor-Plattformen die Verweildauer in Krankenhäusern drastisch verringern und die „Fernbeziehungen“ mit ihren Ärzten verbessern.
  6. Lab-on-Chip
    Kürzere Analysezeiten bei geringerem Probenmaterial- und Chemikalienverbrauch durch Lab-on-a-Chip -Technologien revolutionieren die Laborarbeit. Und Point-of-Care-Diagnostik bekommt ein neues wirkungsvolles Instrument an die Hand. Die Kombination aus mikrofluidischen, mikroelektronischen und mikrooptischen Systemen macht es möglich. Das Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik (IHP) entwickelt aktuell im Rahmen des EU-Projekts „Sumcastec“ den weltweit ersten Lab-on-Chip, der Krebsstammzellen schneller erkennen und neutralisieren soll. Auf dem Silizium-Germanium-(SiGe)-Chip sind Mikrokanäle, Flüssigkeitsspeicher, RF-MEMS Breitband Hochfrequenzquellen und Detektoren integriert. Der Blick ins Zell-Innere gelingt dabei erst durch die hochfrequenten elektromagnetischen Strahlen ohne Kollateralschaden.

 

Die spannenden Anwendungen der MEMS-Technologie liegen heute in der Medizintechnik. Noch stehen wir allerdings am Anfang. In Zukunft jedoch werden die mikroelektromechanischen Winzlinge unsere Lebensqualität nicht nur im Krankheitsfall erhöhen und unseren Ärzten effizient bei der Diagnose unter die Arme greifen.

 

 

Kontaktlinse Sensimed Triggerfish (Bild: Sensimed)

Kontaktlinse mit MEMS-Sensor zum Messen des Augeninnendruckes. (Bild: Sensimed).