Medizinelektronik: Gesünder mit Sensoren

| |
1 Star2 Stars3 Stars4 Stars5 Stars

Von Quantensensoren über schluckbare Sensorpillen bis hin zu weichen Sensoren, die sich auf Gummibärchen drucken lassen: Neue Sensortechnologien werden die medizinische Versorgung verbessern.

Sensoren sind aus der modernen Medizin nicht mehr wegzudenken. Ihr Anwendungsspektrum reicht vom Monitoring der Körperfunktionen über die Diagnose bis hin zur Therapie. Sie erfassen bioakustische Signale wie Herzschall oder Lungengeräusche, biothermische Signale wie die Körpertemperatur sowie biochemische, bioelektrische, biomagnetische, biomechanische oder biooptische Signale. Die kleinen Messfühler werden dabei immer intelligenter und leistungsfähiger.

Quantensensorik: mobiler Hirnscanner

Den Prototyp eines portablen Hirnscanners mit Quantensensoren entwickelten Forscher der University of Nottingham zusammen mit dem Wellcome Centre for Human Neuroimaging. Der Scanner ist in einen 3D-gedruckten Helm integriert und misst die winzigen Magnetfelder der elektrischen Ströme im Gehirn.

Bei klassischen, stationären Geräten für Magnetoenzephalographie (MEG), die etwa eine halbe Tonne wiegen, werden die Sensoren auf minus 269 Grad Celsius gekühlt und der Patient muss während der Prozedur bewegungslos verharren. Ganz anders bei dem 900 Gramm leichten Helmscanner: Quantensensoren lassen sich bei Raumtemperatur einsetzen und so direkt auf dem Kopf des Patienten platzieren.

Die Sensibilität der Magnetfelderkennung, so prognostizieren die britischen Forscher, könne sich bei Erwachsenen vervierfachen, bei Kindern und Babys sogar auf das 20-fache erhöhen. Der Clou: Der Patient darf sich während der Messung frei bewegen, zum Beispiel trinken. Die Forscher entwickeln derzeit einen neuen Scanner im Fahrradhelmdesign, der sich an die Kopfgröße anpassen lassen soll.

Sensoren auf Gummibärchen gedruckt

Mit Mikroelektroden kann man elektrische Signale zum Beispiel direkt am Herz messen. Dafür werden weiche Materialien benötigt, auf denen sich Elektroden bislang jedoch nur mit großem Aufwand anbringen ließen. Der Technischen Universität München (TUM) und dem Forschungszentrum Jülich gelang es, mit einer kohlenstoffhaltigen Flüssigkeit Mikroelektroden-Arrays auf Gelatinebonbons und andere weiche Materialien zu drucken. Damit die Sensoren keine ungewollten Signale aufzeichnen, trugen die Forscher über die Kohlenstoffbahnen eine neutrale Schutzschicht auf.

Das Verfahren erprobten sie am Silikon PDMS (Polydimethylsiloxan) und an Gelatine – in Form geschmolzener und wieder erstarrter Gummibärchen. Die 30 Mikrometer breiten Mikroelektroden-Arrays ermöglichen Messungen an einzelnen Zellen, was mit herkömmlichen Druckmethoden nur schwierig zu erreichen ist. „Ähnliche weiche Strukturen könnten künftig Nerven- oder Herzfunktionen im Körper überwachen oder als Schrittmacher dienen“, sagt Bernhard Wolfrum von der TUM. Derzeit versucht er mit seinem Team komplexe, dreidimensionale Mikroelektroden-Arrays und Sensoren zu drucken, die selektiv auf chemische Substanzen reagieren.

Schluckbare Sensoren explorieren den Darm

Sensoren zum Herunterschlucken, die den Darm überwachen, hat das Royal Melbourne Institute of Technology (RMIT) in Australien entwickelt. In der Kapsel stecken Gassensoren, ein Temperatursensor, ein Mikrocontroller, Batterien und ein Radiofrequenzsender. Mit etwas Wasser heruntergespült macht sich die Sensorkapsel auf die Forschungsreise durch den Darm. Während sie ihn passiert, sammelt sie Daten über die chemischen Zusammensetzungen und sendet sie an ein Mobiltelefon. „Um Mikroben im Darm zu untersuchen, mussten wir uns bislang auf Kotproben oder Operationen verlassen“, erklärt Kourosh Kalantar-Zadeh vom RMIT.

Solche Messungen würden jedoch nicht die realen Gegebenheiten wiederspiegeln. Mit der Kapsel ließe sich die Mikrobiomaktivität authentisch und nicht-invasiv messen. Bei Probanden, die sich ballaststoffreich ernährten, konnte die Kapsel den Fermentationsbeginn exakt ermitteln. Das Monitoring-Gerät soll helfen, Darmerkrankungen präziser zu diagnostizieren und dafür sorgen, dass es gar nicht erst zu Erkrankungen kommt.

In den USA zugelassen: Sensorpille mit Kontrollfunktion

Ärztliche Dosierungsvorgaben für Medikamente und das Einnahmeverhalten von Patienten klaffen oft weit auseinander. Abhilfe soll eine Sensorpille des japanischen Pharmakonzers Otsuka Pharmaceutical schaffen: Abilify MyCite informiert per App, sobald sie im Magen angekommen ist.

Der Wirkstoff ist ein Neuroleptikum, das bei Patienten mit Schizophrenie oder bipolaren Störungen verabreicht wird. Sobald der in die Pille integrierte Sensor registriert, dass Magensäuren die Pille zersetzen, sendet er ein elektronisches Signal an ein Pflaster auf der Haut des Patienten. Dieses meldet die Einnahme der Pille via Bluethooth an eine Smartphone-App. Neben dem Patienten können so – mit dessen Einverständnis – auch Ärzte, Angehörige oder Pflegekräfte die Pilleneinnahme verfolgen. Nach erfüllter Mission wird der Sensor verdaut und ausgeschieden.

Nachdem das Systempräparat 2016 in US-Krankenhäusern getestet und Ende 2017 von der US-Arzneimittelbehörde FDA zugelassen wurde, wird Abilify MyCite nun in den USA an einem kleinen Personenkreis getestet. Der Preis für die Sensorpille soll bei 1.650 Dollar pro Monat liegen.

Infrarot-Sensorik: Medikamente mit weniger Nebenwirkungen

Änderungen am Gerüst von Proteinen zeigen, ob ein Medikament wirkt. Mit einem Infrarotsensor gelang es der Ruhr-Universität Bochum (RUB), einfach und schnell zu untersuchen, welche Wirkstoffe die Struktur von Proteinen beeinflussen und wie lange die Wirkung anhält. Mit dem Sensor lassen sich von Wirkstoffen ausgelöste Strukturveränderungen am Gerüst von Proteinen messen. Die neue Methode für die Wirkstoffentwicklung könnte helfen, passgenaue Medikamente mit wenig Nebenwirkungen zu entwickeln.

Der Sensor basiert auf einem für Infrarotlicht durchlässigen Kristall. Auf seiner Oberfläche wird das Zielprotein gebunden. Durch den Kristall werden die Infrarotspektren aufgenommen, während Lösungen mit oder ohne Wirkstoff über die Oberfläche gespült werden. Der Sensor detektiert Änderungen im struktursensitiven Spektralbereich des Proteins, der Amid Region.

Falls es zu Änderungen kommt, ist klar: Der Wirkstoff hat die Proteinform verändert. „Der Einfluss eines Wirkstoffs auf die Struktur eines Zielproteins wird bislang mit zeitaufwendigen Methoden untersucht, die detaillierte räumliche Informationen bieten – aber erst nach Wochen oder Monaten“, erklärt Jörn Güldenhaupt von der RUB. Die neue Methode liefere Informationen über Strukturänderungen innerhalb von Minuten und könne auch die Art der Strukturänderung eingrenzen.

Strom aus Bakterien: Papierbatterien für Biosensoren

Energieversorgung ist ein zentrales Thema medizinischer Sensorik. Wissenschaftler der State University New York entwickelten eine Papierbatterie, die Mikroben als Elektronenlieferanten nutzt. In Zukunft könnte sie Strom für einfache Sensoren und medizinische Testkits liefern.

Biosensoren arbeiten wie Teststreifen: Sobald sie in Kontakt mit Substanzen kommen, ändern sie ihre Farbe – eine kostengünstige, aber ungenaue Methode. Eine Stromquelle könnte die Entwicklung leistungsfähigerer Sensoren auf Papierbasis ermöglichen. Herkömmliche Batterien sind jedoch teuer und lassen sich nicht in das Papiersubstrat integrieren.

Die Forscher fanden eine Alternative: Sie druckten Elektroden und Leiterbahnen auf einen Papierstreifen und brachten dann gefriergetrocknete exoelektrogene Bakterien auf. Sobald diese mit Wasser in Berührung kommen, werden sie aktiviert und setzen Elektronen frei, die von den Elektroden aufgenommen werden. Mit der erzeugten Energie gelang es den Forschern, eine Leuchtdiode zu betreiben. Für kommerzielle Anwendungen ist jedoch eine 1.000-fach höhere Energieleistung nötig. Das Forscherteam versucht nun, die Stromausbeute zu verbessern, indem es mehrere Papierbatterien stapelt und zusammenschaltet.

Medizinische MEMS-Sensoren

In der Medizinelektronik müssen Bauteile möglichst klein sein. MEMS-Sensoren mit einer Bauform im Mikrometerbereich etablieren sich zunehmend in der Diagnostik. Die winzigen mikro-elektro-mechanischen Systeme vereinen mehrere Funktionen der Mikroelektronik und Mikromechanik auf einem Substrat. In der Medizin werden MEMS vor allem in Drucksensoren verwendet, wie sie auf der electronica 2018 unter anderem von Silicon Microstructures Inc. (Halle C3, Stand 536) vorgestellt werden.

Zu den häufigsten Anwendungen gehört die nicht invasive Blutdrucküberwachung. Drucksensoren auf Basis von MEMS-Technologie kommen auch in Infusionspumpen, Beatmungs- und Dialysegeräten und der Augenchirurgie zum Einsatz oder erfassen Sauerstoff-, Kohlenstoffdioxid-, Glukose- und andere Blutwerte. MEMS-Beschleunigungsmesser wie der ADXL362 von Analog Devices GmbH (electronica-Aussteller, Halle C4, Stand 111) kommen unter anderem in Hörgeräten oder in der häuslichen Pflege zum Einsatz. Derzeit werden auch die Anwendungsmöglichkeiten von MEMS-Sensoren in Nervenprothesen erforscht.

Wegwerfsensoren aus dem 3D-Drucker

Der Kostenfaktor spielt bei medizinischen Sensoren ebenfalls eine wichtige Rolle. Der Trend geht zum Einwegsensor. Er lässt sich günstig im 3D-Druckverfahren herstellen und minimiert das Infektionsrisiko. Denn Desinfektion ist kostspielig und selbst bei sorgfältiger Reinigung besteht ein Restrisiko, das Krankheitserreger überleben. Gedruckte Wegwerfsensoren werden bereits in der Pulsoximetrie – die Messung der Sauerstoffsättigung im arteriellen Blut – verwendet.

Premiere 2018: electronica Medical Electronics Conference (eMEC)

Am 15. November 2018 diskutieren Ärzte und Elektroniker bei der electronica Medical Electronics Conference in München über die Medizin der Zukunft. Sensoren sind Schwerpunktthema im „Track 2: Medizinische Diagnose“.

Informationen zum Medical Electronics Forum finden Sie hier

Sensoren sind Fokusthema auf der electronica Embedded Platforms Conference (eEPC).

Auf Gummibonbons gedruckte Mikroelektroden-Arrays_k