Sensoren – heimliche Helden?

Sie überwachen, übertragen und steuern – Sensoren in der Medizintechnik. Kaum ein Gerät kommt ohne sie aus. Für die meisten Menschen dürfte die eigene Gesundheit zu irgendeinem Zeitpunkt im Leben auch davon abhängen, ob Sensoren ihre Arbeit richtig machen. Doch wie vielfältig sind ihre Einsatzmöglichkeiten in medizinischen Geräten?

Ob im Krankenhaus, bei der Hausärztin oder beim Hausarzt, ob Blutdruckmessung, Ultraschall oder Herzschrittmacher – wir alle haben uns bereits auf die präzise Arbeit von Sensoren in medizinischen Geräten verlassen. Dass sie richtig messen und korrekte Werte ermitteln, setzen wir dabei in der Regel einfach voraus. Und in der Tat – moderne Sensoren arbeiten so präzise und zuverlässig wie nie zuvor. Zu verdanken ist dies hochwertigen Materialien, neuesten Herstellungsverfahren und innovativen Messtechniken.

Als Sensoren werden grundsätzlich Hilfsmittel oder Bauelemente bezeichnet, die bestimmte chemische oder physikalische Zustandsänderungen erkennen können. Auf unterschiedliche Weisen können so eine Vielzahl von Werten des menschlichen Körpers und seiner Umgebung gemessen werden. Klassische Beispiele für häufig verwendete Sensoren in der Medizin sind die Temperaturmessung mittels Thermometer, das EKG (Elektrokardiogramm, Messung der Herzströme) und das EEG (Elektroenzephalographie, Messung der Hirnströme). Doch Sensoren können noch weitaus mehr.

Sensoren könnten Dekubiti vorbeugen

Menschen, die in ihrer Bewegung eingeschränkt sind und die meiste Zeit liegend im Bett verbringen, haben eine hohe Gefahr, einen Dekubitus zu entwickeln. Längeres Liegen in derselben Position führt dabei zu anhaltendem Druck auf eine bestimmte Hautstelle. Mangelnde Durchblutung und im schlimmsten Falle das Absterben des Gewebes sind die Folge.

Im Projekt "ProTex" haben Forschende der Schweizer Empa, der Universität Bern, der Fachhochschule OST und der Bischoff Textil AG in St. Gallen ein Sensorsystem aus smarten Textilien mit zugehöriger Datenanalyse in Echtzeit entwickelt. "Die hautverträglichen textilen Sensoren enthalten zwei verschiedene funktionelle Polymerfasern", sagt Empa-Forscher Luciano Boesel vom "Biomimetic Membranes and Textiles"-Labor in St. Gallen. Neben drucksensitiven Fasern integrierten die Forschenden lichtleitende Polymerfasern (POFs), die der Sauerstoffmessung dienen. "Sobald der Sauerstoffgehalt in der Haut abfällt, signalisiert das hochempfindliche Sensorsystem ein steigendes Risiko für Gewebeschäden", erklärt Boesel. Die Daten werden dann direkt an die Patientin, den Patienten oder das Pflegepersonal übermittelt. Liegende Personen können so rechtzeitig umgelagert werden, bevor das Gewebe Schaden nimmt.

Die dahinterliegende Technologie beinhaltet ein neuartiges Mikrofluidik-Nassspinnverfahren für die Herstellung von POFs. Es ermöglicht eine präzise Steuerung der Polymerkomponenten im Mikrometerbereich und eine sanftere, umweltfreundlichere Verarbeitung der Fasern.

Sensoren als Alternative für aufwendige Labordiagnostik?

In einem anderen Projekt haben Forschende der Goethe-Universität Frankfurt und der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel einen neuartigen Sensor entwickelt, der bestimmte Bakterien nicht nur erkennen, sondern auch ihre Konzentration bestimmen kann. Aktuelle Bestimmungsverfahren sind oft zeitaufwendig und teuer und können nicht immer zwischen aktiven Bakterien und deren inaktiven Zerfallsprodukten unterscheiden.

Die neu entwickelte Methode weist dagegen nur intakte Bakterien nach. Sie nutzt dazu aus, dass Mikroorganismen stets nur bestimmte Körperzellen befallen, die sie an einer speziellen Struktur aus Zuckermolekülen erkennen. Diese sogenannte Glykokalyx ist von Zelltyp zu Zelltyp anders. Um bestimmte Bakterien nachweisen zu können, imitieren die Forschenden eine bestimmte Glykokalyx als Köder.

"Wir wollten in unserer Studie einen bestimmten Stamm des Darmbakteriums Escherichia coli – kurz: E. coli – nachweisen", erklärt Prof. Andreas Terfort vom Institut für Anorganische und Analytische Chemie der Goethe-Universität. „Wir wussten, welche Zellen der Erreger normalerweise infiziert. Das haben wir genutzt, um unseren Chip mit einer künstlichen Glykokalyx zu überziehen, die die Oberfläche dieser Wirtszellen imitiert. An dem Sensor bleiben daher nur Bakterien von dem gewünschten E.-coli-Stamm kleben.“

Die Glykokalyx wiederrum ist an leitfähigen Polymersträngen befestigt. Durch das Anlegen von Spannung an diesen Strängen lässt sich die Zahl der gebundenen Bakterien ablesen. "Unser Sensor konnte die schädlichen Mikroorganismen auch noch in sehr geringen Mengen nachweisen", erklärt Terfort. "Er lieferte zudem umso stärkere Signale, je höher die Konzentration der gesuchten Bakterien war."

Nach dem Erfolg der Methode im kleinen Format soll nun ein größerer Praxistext erfolgen. Wenn auch der Erfolg hat, können sich die Forschenden einen Einsatz in Regionen vorstellen, in denen es an modernen Krankenhäusern mangelt und eine aufwendigere Labordiagnostik nicht möglich ist.

Prothesensteuerung mit Quanten-Magnetfeldsensoren

Nicht nur bei älteren oder kranken Menschen können Sensoren einen wichtigen Beitrag zum Wohlbefinden leisten. Ein neuer Magnetfeldsensor der Stuttgarter Q.ANT GmbH ermöglicht die Messung kleinster Magnetfelder im Picotesla-Bereich. Das entspricht einem Millionstel des Erdmagnetfelds. Damit ist der Sensor empfindlich genug, um sogar menschliche Muskelsignale in Nervenbahnen zu erkennen. Der bereits alltagstaugliche Sensor ist dank seiner magnetischen Funktionswiese präziser und zuverlässiger als vergleichbare elektrische Sensoren, die durch Schweiß oder Haare auf der Haut gestört werden können. Nutzerinnen und Nutzer von Prothesen können ihre Hilfsmittel so besonders gut steuern.

„Die neue Technologie hebt die prothetische Versorgung von Menschen mit Arm- oder Beinamputation auf eine neue Ebene und verbessert damit deren Lebensqualität. Außerdem trägt sie zu einer besseren, gesellschaftlichen Integration von Menschen mit fehlenden Gliedmaßen bei“, sagt Dieter Jüptner, Präsident des Bundesverbands für Menschen mit Arm- oder Beinamputation.

Darüber hinaus lässt sich der Sensor in der Rehabilitation zur Muskeltrainingssteuerung oder in der Diagnostik von Muskeldysfunktionen einsetzen. So könnten sich damit neuronale Störungen erkennen, die Diagnostik bei Querschnittslähmungen verbessern und sogar Exoskelette steuern lassen.

Das Ende der Möglichkeiten ist noch lange nicht erreicht

Die aufgeführten Beispiele sind nur einige von vielen innovativen Anwendungsmöglichkeiten, in denen Sensoren in medizinischen Geräten die Gesundheit von Menschen schützen und ihre Lebensqualität verbessern können. Gerade jetzt könnten Forschende irgendwo auf der Welt bereits am nächsten großen Durchbruch in der Sensortechnik arbeiten. Davon erfahren werden Sie selbstverständlich auf COMPAMED.de.