„Wir haben uns gezielt mit den Themen Atemfrequenz und -breite sowie Herzfrequenz und Pulsoxymie beschäftigt“


Faseroptischer Sensorik soll in der medizinischen Prüf- und Messtechnik neue Möglichkeiten eröffnen.

COMPAMED.de sprach mit Direktor und Professor Dr.-Ing. Werner Daum, Fachgruppe für Mess- und Prüftechnik und Sensorik der BAM, über aktuelle, sensorische Forschungsprojekte, wie sie einsetzbar sind und welche weiteren Anwendungen in der Zukunft umgesetzt werden können.


COMPAMED.de: Herr Professor Daum, Sie haben in mehreren Projekten Sensoren entwickelt, die eingesetzt werden, um zum Beispiel die Atmung von Patienten zu überprüfen. Welche Aufgaben mussten von der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung gelöst werden?

Werner Daum: Wir beschäftigen uns seit langem mit der Entwicklung von sogenannten sensitiven, technischen Textilien für Anwendungen in der Geotechnik. In derartigen Textilien sind zwei Funktionalitäten vereint: mechanische Festigkeitseigenschaften zum Beispiel zur Verstärkung von Deichen und sensorische Eigenschaften zum Beispiel zur frühzeitigen Erkennung von Deichinstabilitäten. Nachdem wir die Anfrage erhielten, ob wir sensitive Textilien auch für medizinische Diagnosezwecke entwickeln können, integrierten wir faseroptische Sensoren unter anderem für die Messgrößen Temperatur und Dehnung in normalen Textilien. Im Projekt OFSETH, gefördert im 6. Rahmenprogramm der EU, entwarfen wir spezielle Textilien, mit denen narkotisierte oder sedierte Patienten während magnetresonanztomografischer Untersuchungen überwacht werden können.

COMPAMED.de: Auf welcher Technik basieren diese entwickelten Sensoren?

Daum: Die faseroptischen Sensoren basieren auf optischen Lichtwellenleitern, wie sie aus der Kommunikationstechnik bekannt sind. In diese optische Fasern aus Glas oder Kunststoff können wir spezielle Strukturen, zum Beispiel sogenannte optische Gitter, einbringen oder sie chemisch modifizieren, um verschiedenste physikalische oder chemische Größen zu messen.

COMPAMED.de: Wie funktioniert die Messung von Vitalparametern beim „intelligenten T-Shirt“?

Daum: Bei dieser Entwicklung stand die Messung von Vitalparametern im Bereich der Atmung, also die Atem- oder Herzfrequenz oder auch die Atembreite im Vordergrund. In ein elastisches Textilgewebe werden optische Polymer- oder Glasfasern entweder mittels konventioneller Textilherstellungsmethoden integriert oder einfach auf die Oberfläche aufgenäht. In der optischen Faser befindet sich ein optisches Gitter, das wie ein optischer Filter wirkt. Der Abstand der Gitterlinien definiert eine bestimmte Wellenlänge des Lichtes, welche bei Durchtritt von weißem Licht durch die Faser am Gitter reflektiert wird. Atmet nun der Patient tief ein, weitet sich der Brustkorb aus und das elastische Gewebe wird entsprechend gedehnt. Die Dehnung wird wiederum auf die optische Faser mit dem optischen Gitter übertragen. Das Gitter wird gedehnt, der Abstand der Gitterlinien ändert sich. Dies bewirkt, dass die Wellenlänge, welche aus dem durch die Faser hindurchtretenden Licht herausgefiltert wird, verschoben wird. Das Maß der Wellenlängenverschiebung gibt dann Aufschluss über die Ausweitung des Brustkorbs. Auf diese Weise können wir zum Beispiel die Atembreite, den Unterschied des Brustumfangs zwischen der Ein- und Ausatmung, bestimmen.

 
 

Sensitive Textilien bestehen immer aus einem Textil, in das eine
optische Faser aus Glas oder aus Kunststoff integriert wird;
© Multitel/Belgium

 
 

COMPAMED.de: Was kann man außer der Atmung eines Patienten anhand der Techniken noch prüfen und messen?

Daum: Unsere Entwicklungen innerhalb des europäischen OFSETH-Projektes waren gezielt gerichtet auf das Thema Atemfrequenz und -breite sowie Herzfrequenz und die Pulsoxymetrie, also die Ermittlung der arteriellen Sauerstoffsättigung durch Messung der Lichtabsorption bei Durchleuchtung der Haut. Es gibt mittlerweile weitere Entwicklungen, die kommerziell verfügbar sind, zum Beispiel die Temperatur- oder Blutdruckmessung mittels faseroptischer Sensoren. Ein weiteres Diagnoseverfahren auf der Basis von faseroptischen Sensoren, die Atemgasanalyse, befindet sich im Forschungsstadium.

COMPAMED.de: Welche Materialien werden bei der Konstruktion dieser Technik eingesetzt?

Daum: Zur Entwicklung der sensitiven Textilien benutzen wir sowohl normale Bekleidungstextilien als auch Spezialtextilien für technische Anwendungen. Letztere stammen zum Beispiel aus dem Bereich der Geotextilien. Als Grundlage dient immer ein Textil, in das wir eine optische Faser aus Glas oder aus Kunststoff integrieren können. Die Kombination aus Textil und Faser nennen wir „sensitives technisches Textil“. Die Ausprägung des Textils wird durch die spezielle Anwendung bestimmt. Im Bereich Geotechnik haben wir es mit robusten und widerstandsfähigen Materialien zu tun, die beispielsweise große Zugkräfte aufnehmen können. Bei Medizinanwendungen kommt es darauf an, dass die Textilien körperfreundlich, elastisch, strapazierfähig und einfach anzulegen sind, und den klinischen Anforderungen gerecht werden.

 
 


COMPAMED.de: In welchen medizinischen Bereichen soll die spezielle Sensortechnik angewendet werden oder findet sie bereits Anwendung?

Daum: Die faseroptische Sensorik verfügt über zwei wesentliche Vorteile. Faseroptische Sensoren sind klein und kompakt, sie haben einen Durchmesser von etwa 100 bis 250 Mikrometer (µm). Das ermöglicht eine Messung an Orten, die sehr eng und schlecht zugänglich sind. Für den medizinischen Anwendungsbereich ist es wichtig, dass sie gegen elektromagnetische Felder unempfindlich und gegen ionisierende, medizinische Strahlung beständig sind. Sie sind absolut metallfrei und verfügen im Hinblick auf verschiedene Messgrößen über eine hohe Messempfindlichkeit. Bei der Computertomografie, der Magnetresonanztomografie oder anderen bildgebenden Röntgenverfahren können unter Umständen metallische Sensoren und Leitungen stören. Bei der Magnetresonaztomografie (MRT) ist die Anwendung von metallischen Sensoren und Leitungen grundsätzlich nicht möglich. Hier eröffnet die faseroptische Sensorik neue Möglichkeiten, einen Patienten während einer MRT-Untersuchung zu überwachen oder diagnostisch relevante Parameter wie zum Beispiel aus dem Bereich der Atmung zu messen.

COMPAMED.de: Welche Entwicklungen können in Zukunft auf die Technologie aufbauen?

Daum: Zukünftig umfassen die Anwendungen nicht nur den Bereich des Krankenhauses. Denkbar ist auch die Langzeitüberwachung von Patienten im Pflegeheim oder Zuhause mittels sensitiver Kleidung oder Bettwäsche. Es gibt eine Anwendung, die wir vielleicht demnächst untersuchen wollen. Hierbei handelt es sich um die frühzeitige Detektion von Hypoglykämie, die gerade nachts während der Schlafphase überlebenswichtig sein kann. Meistens wird die Unterzuckerung durch einen vermehrten Schweißausbruch begleitet. Faseroptische Sensoren in Hautnähe, zum Beispiel integriert in die Bettwäsche, können durch Feuchtigkeitsmessung diesen Zustand frühzeitig erkennen. Interessant ist auch eine Anwendung, die wir im Forschungsprojekt „i-Protect“, gefördert durch das 7. EU-Rahmenprogramm, erforschen: die Integration der faseroptischen Sensorik in Vollschutzkleidung wie sie von medizinischem Personal, Feuerwehrleuten oder von Rettungskräften bei Chemieunfällen getragen werden müssen. Auch hier ist es wichtig, die Vitalbasisfunktionen während des Einsatzes zu überwachen.

Das Interview führte Diana Posth.
COMPAMED.de